基于纳米流体液滴凝固的三维形状控制机理

为实现液滴在三维空间内的形状控制,实验制备具有三角形图案的双浸润性表面,通过固定纳米流体液滴的接触线,在低温台上观察其凝固的过程,得到液滴高度和凝固后平台形状之间的变化规律,并通过Surface Evolver模拟液滴在复杂约束性表面上的形态。研究结果表明:被三角形接触线固定的纳米流体液滴,凝固后平台形状随着高度的增加依次经历了三角形、圆形、反三角和圆形,通过模拟值和实验值的对比,认为复杂约束表面上的液滴可以被看作是具有不同接触半径的接触球,在给定液滴高度的情况下,会产生不同大小的顶部平台,这些尺寸的变化将决定凝固后最终顶部平台的形状。通过简单地调节液滴高度就能得到液滴凝固后丰富的形状变化,简化了三维结构制造流程,从而显著提高经济效益。

均流结构蓄热水箱热特性的模拟与实验研究

蓄热技术是太阳能光热利用的重要组成部分,而以水作为蓄热介质的中低温蓄热技术是太阳能热利用系统中的关键技术之一。本文提出并设计一种用于提高蓄热水箱热分层特性的新型均流器,在初始水温70℃、进水温度10℃的工况下,测试得到了水箱的热力学特性,并基于ANSYS软件建立该水箱的数学模型,研究结果表明随着进口流量的增大,水箱中斜温层的厚度和混合数(MIX number)先减小后变大,填充效率先变大后减小,而理查森数(Ri)减小,当流量为3 L/min时,水箱的热分层效果最好,效率最高。实验和理论计算表明,该文所设计的均流器对进入水箱的水流具有抑流作用,能有效降低进水速度,减弱了水箱中冷热水的混合程度,使得水箱的斜温度层厚度减小,进而使得水箱的分层效率提高。

泡沫铜强化甲烷水合物生成动力学实验研究

提高水合物生成速率和储气密度对天然气水合物技术应用非常重要。将三种孔密度的泡沫铜(CF)分别浸入十二烷基硫酸钠(SDS)溶液中构建水合储气强化体系,在高压静态反应釜中研究泡沫金属对甲烷水合物生成动力学特性。实验结果表明,泡沫铜骨架能为水合物生成提供充足的结晶点,同时可作为水合物生长过程水合热迁移的"高速公路"。甲烷水合物在SDS/CF体系中可快速生成,最大水合储气速率分布在19.24~21.04mmol·mol^(-1)·min^(-1)之间,其中添加15 PPI泡沫铜的SDS溶液储气量最高(139 mmol·mol^(-1)),且达到最大储气量90%所用时间最短(10.1 min)。在6.0~8.0 MPa压力下,相比SDS溶液,添加15 PPI泡沫铜的SDS溶液储气量提高了8.8%~35.6%,储气速率提高了4.7%~40.4%;特别在压力为5.0 MPa时,该孔密度SDS/CF体系储气量甚至比SDS溶液增加13倍,储气速率增加16倍。

泡沫铜对石蜡强化传热机理的实验和模拟研究

为探究石蜡融化时泡沫铜的填充对其内部传热的影响,设计并搭建了一套可视化蓄能实验装置。分析了泡沫铜填充率对石蜡相变过程的强化传热机理,并建立其传热数学模型,利用fluent软件对石蜡融化的相变传热过程进行数值计算。实验和模拟结果表明,当泡沫铜的填充率从0%增大到1.28%时,复合相变蓄热材料的融化时间从901 s缩短到830 s,较纯石蜡减少了7.88%,液化速率和蓄热速率较纯石蜡分别提高了7.11%和10.54%,而当泡沫铜填充率为1.28%时,石蜡内部温度梯度最小,为9.1 K。泡沫铜的填充强化了石蜡的导热强度,但一定程度上削弱了石蜡内部的自然对流传热强度,且泡沫铜填充率越大,对自然对流的抑制效果越明显。此外,当泡沫铜填充率为0.72%时,蓄能装置中石蜡的蓄热量为20537.88 J,蓄热速率为24.07 J/s,复合相变蓄热材料的蓄热性能较好。

R32制冷系统在变吸气状态下的热力性能

压缩机的吸气状态对系统的性能有重要影响,通过理论与实验的方法,探究不同吸气条件下系统性能的变化,以寻找实现系统最佳运行时的吸气状态。基于小型水冷冷水机组实验系统,调节电子膨胀阀的开度来控制制冷剂在系统内的流量,进而通过实验探究吸气状态对制冷系统性能的影响。结果表明:在吸气状态从过热到气液两相的过程中,系统的制冷量会先增加后减少。与此同时,压缩机的功耗会先略微上升,随后缓慢下降。排气温度的变化则表现为两段式的降低,特别是在吸气达到两相状态时,温降更为明显。吸气干度在0.98—1.00时,可以实现系统的制冷量和系统性能系数C_(OP)的最优,能显著提高制冷系统的整体性能和经济效益。这些发现对于解决恶劣工况下压缩机润滑油碳化问题以及优化制冷系统具有重要意义。

垂荡板对漂浮式风力机水动力特性的研究

为研究垂荡板对漂浮式风力机Spar力机为研究对象,运用数值计算方法得出不同透空率垂荡板和在相同透空率下不同孔数垂荡板的水动力性能,并分析其频域和时域特性。结果表明,在相同孔数不同透空率垂荡板对比分析中,漂浮式风力机Spar为10%垂荡板作用下的稳定性最佳;选用透空率10%的垂荡板,对其进行不同开孔,并对8孔、12孔、16孔、20孔、24孔、28孔和32孔进行水动力特性分析对比,其中附有24孔垂荡板漂浮式风力机Spar平台的稳定性最好。

化学链燃烧中煤灰原位改性对钙基载氧体炭沉积的影响

在流化床中利用准东煤灰负载在钙基载氧体上,对钙基载氧体进行原位改性,从而制备改性的CaSO_(4)-Ash复合载氧体。借助TG-MS实验中的CO_(2)离子流量强度曲线,考察准东煤灰负载量对载氧体还原反应过程中炭沉积特性的影响规律,并通过固固反应与气固反应定量耦合实验,探究炭沉积的来源。结果表明:炭沉积量随原位改性制备过程中煤灰比例升高先减少后增加,添加质量分数为10%的准东煤灰制备的CaSO_(4)-10Ash复合载氧体能够最大程度降低炭沉积问题,减少了79.5%的炭沉积。固固反应中随煤灰负载比例升高,煤焦炭残留量减少,气固反应中煤灰负载比例大于5%时,复合载氧体性能开始呈下降趋势,积炭量开始增多;当煤灰负载比例大于10%时,随负载比例继续升高而增多的炭沉积的量主要来自于CO分解产生的积炭。

风力机变桨故障叶片双向强流固耦合研究

为探究大型水平轴风力机达到切出风速停机后变桨故障叶片在多物理场高度耦合作用下的气动特性和结构响应,基于计算流体力学及有限元法相结合的双向强流固耦合方法对NREL 5 MW风力机变桨故障叶片和变桨成功叶片的气动侧与结构侧状态进行对比分析。结果表明:叶片在双向强流固耦合下的挥舞力矩比无流固耦合下的挥舞力矩波动范围明显更大,且切出风速下变桨故障叶片挥舞方向的最大气动力矩及叶尖位移分别为变桨成功时的13.8倍和14.1倍,同时变桨故障叶片出现瞬态屈曲失稳现象。

界面结霜机理及抑霜技术研究进展

界面结霜现象在日常生活和许多工业应用中普遍存在。由于霜层主要由小枝晶和离散的气穴组成,霜层表现为有厚度的多孔介质,从而严重影响暖通空调和制冷系统的传热效率。几个世纪以来,界面结霜一直作为热门研究课题之一,但直至最近才取得一些新的进展,例如揭示了霜在形成初期阶段的新特征,这些特征过去因为过快或过小而无法捕捉,还基于其原理开发了新的除霜、抑霜技术。文章对结霜现象进行了全面综述,尤其最近十年的全新进展。按时间顺序介绍了以冷凝结霜为主的基本原理,包括冷凝成核、冷凝液滴的生长和聚结、结冰成核、冻结环的形成、冻结传播,以及霜层的生长和密集化。总结了近期抑制结霜负面影响的工程措施,即除霜、抑霜两种技术。这些研究成果可以启发人们对冷凝结霜的理解,同时也有助于开发针对在多种应用背景下新的除霜、抑霜方法。

化学链燃烧中燃料气体在CaSO 4(010)表面吸附扩散特性的分子动力学模拟

以CaSO 4为载氧体,采用分子动力学研究了化学链燃烧中不同温度时CO在CaSO 4(010)表面的吸附扩散特性,并在反应温度为1173 K时与CH 4、H 2在CaSO 4(010)表面的吸附扩散特性对比。结果表明:CO在CaSO 4(010)表面的吸附为物理吸附,吸附强度随温度升高而减弱,吸附层与体相层的分层点为距离CaSO 4(010)表面0.66 nm处;CO在xy平面方向的扩散能力随温度升高而上升,符合分子碰撞理论;CO吸附于CaSO 4(010)表面的原因主要为静电作用所造成的弱相互作用。与CH 4、H 2相比,CO在CaSO 4(010)表面的吸附能力最强,吸附层中含量最多;H 2在xy平面方向扩散能力最强,体相层中体积占比最大;而CH 4较弱的静电作用与H 2较强的位阻作用导致了二者在CaSO 4(010)表面吸附能力弱于CO。研究结果可为钙基载氧体的改进与优化提供理论基础。

纳米流体液滴凝固过程中的特征变形

为了研究胶体颗粒在液滴凝固中的作用,实验制备了不同浓度、颗粒性质的纳米流体溶液,基于低温台装置,文中实验观察到的纳米流体液滴的凝固形状不再带有尖端,而是在顶部形成了一个平台结构,并且该平台的面积随着纳米颗粒浓度的增加而变大。文中提出了一个简单的物理模型,并通过Hele-Shaw装置对凝固过程观察分析,将平台的形成归因于沿凝固锋面推移的颗粒堆积层引起的补偿流。实验相关研究同时表明纳米流体液滴凝固时的形状变化与接触角、液滴体积、颗粒大小以及颗粒材料无关,有较强的普适性。

平板振动对气膜冷却及流场特性影响的数值研究

对平板在振动状态下的气膜冷却进行数值研究,比较在不同振动条件下吹风比为1时气膜孔下游中心线上绝热壁面的冷却绝热效率,同时分析了气膜孔下游壁面在不同振动条件下的静压及静压随相位角的变化。结果显示:振动会使平板气膜冷却效果恶化,在不同振动条件下振动时绝热壁面的冷却绝热效率均比稳态时低,在x/d>7时,不同振动频率下的冷却绝热效率相差较大,且频率越大冷却绝热效率越小,不同振幅下的冷却绝热效率相差较小。振动时气膜孔下游上下壁面静压呈周期性变化。靠近气膜孔截面贴壁区域各相位下均存在明显的二次流,在x/d=5和x/d=10截面内,y/d<4范围内各相位均存在速度峰值,90°和180°速度峰值大于稳态时速度,0°和270°速度峰值小于稳态时速度。

化学链气化中准东煤灰对CaSO_(4)载氧体改性及其作用机理

以CaSO_(4)为载氧体,采用机械混合法制备了将军庙煤灰修饰的CaSO_(4)-Ash复合载氧体。借助TG-MS考察复合载氧体CaSO_(4)-Ash与将军庙煤的化学链气化反应特性,并对将军庙煤灰改性CaSO_(4)载氧体的作用机理进行了研究。结果表明:将军庙煤灰对CaSO_(4)载氧体有一定的改性作用。900℃时,与纯CaSO_(4)载氧体相比,CaSO_(4)-Ash复合载氧体表现出良好的反应活性和稳定性,CaSO_(4)-Ash复合载氧体化学链气化产生的CO量明显增多,产率也更加稳定。X射线衍射分析表明,CaSO_(4)-Ash复合载氧体中存在少量的Ca_(2)Fe_(2)O_(5)和Fe_(2)O_(3),它们附着在CaSO_(4)表面,作为CaSO_(4)晶格氧传输的中介,起到促进CaSO_(4)晶格氧迁移的效果。通过Jade软件计算纯CaSO_(4)载氧体和改性后的CaSO_(4)载氧体的晶格常数和晶格体积,并结合拉曼光谱和电子顺磁共振光谱表征,证明了煤灰中Na+改性CaSO_(4)载氧体的机理。通过扫描电子显微镜测试,发现改性后的CaSO_(4)载氧体表面孔径结构更加清晰。

化学链燃烧中原位改性CaSO_(4)载氧体的反应性能

制备低成本且反应性能优良的载氧体是化学链技术进步的关键,CaSO_(4)作为载氧体携氧能力强、价格便宜,但其反应性能较弱。利用高碱准东煤作为燃料,CaSO_(4)作为载氧体在流化床中进行载氧体的制备,旨在使用煤灰及其碱金属元素对载氧体进行原位改性,并使用TG-MS(热重-质谱联用)对原位改性后的CaSO_(4)进行反应性能测试。结果表明,高碱准东煤灰在一定程度上对CaSO_(4)载氧体的反应性能有积极影响。当灰钙质量比为5%、还原温度900℃时,经原位改性的CaSO_(4)相比未原位改性的CaSO_(4)反应性能即CO_(2)的产量提高66%。使用EPR(电子顺磁共振光谱仪)、SEM(扫描电镜)进行表征测试,发现原位改性使得载氧体表面的氧空位数目增加,且原位改性后的CaSO_(4)表面出现多孔结构,气体反应时的扩散阻力减小,易于燃烧反应的进行,从而增加CO_(2)的产量。

低阶煤与生物质共热解特性实验研究

为了研究低阶煤与生物质的共热解特性和协同作用机理,采用热重-质谱联用设备对不同配比的淖毛湖煤与杨木、玉米秆进行非等温共热解实验。实验结果表明:低阶煤与生物质共热解中的协同作用与掺混比例和生物质种类有关,当淖毛湖煤与杨木的混合比为3∶1时,共热解促进了挥发分的释放,半焦产率降低,氢气与甲烷产率低于加权计算的理论值,协同作用最显著;淖毛湖煤与玉米秆共热解时,协同作用主要表现为抑制挥发分的释放,提高半焦产率;CaO是影响杨木、玉米秆与淖毛湖煤共热解特性的重要因素之一,对共热解协同作用影响显著,能够延迟生物质的热解并降低淖毛湖煤的热解温度,增加热解区间的重合度,促进煤与生物质挥发份之间的反应。

基于致动线方法的风力机组尾迹控制策略研究

为提高风场总功率,减小上游风力机尾迹的影响,以实现风场全局优化的思想,利用致动线(ALM)方法,基于开源软件OpenFOAM对9种偏航工况、15种风轮俯仰工况及9种风场错列布置进行数值模拟。对比不同尾迹控制策略下的风场总功率输出,并结合流场云图分析尾迹对风力机性能影响的流动机理。结果表明:3种尾迹控制方法均可减弱上游风力机尾迹对下游风力机气动性能的影响,且偏航尾迹控制方法略优于风轮俯仰,风场错列显著优于偏航,其中偏航、风轮俯仰及风场错列分别可提高无尾迹控制策略时风场总功率的35.3%、34.5%和68.5%。

水平轴风力机多涡格升力面涡尾迹法的研究

针对NREL Phase VI实验双叶片水平轴风力机,采用基于多涡格升力面的自由尾迹法模拟其低风速及高风速气动性能。由于高风速失速延迟导致尾缘分离滞后,建立Kirchhoff-Helmholz尾缘分离预估模型与Du-Selig失速延迟模型耦合的三维尾缘分离预估模型。计算低风速及高风速不同的偏航角工况,对比分析不同涡格数对模拟结果的影响。研究结果表明:涡格数对低风速工况影响甚小,对高风速影响很大,且采用两涡格的三维尾缘分离预估模型对法向力系数和弦向力系数的模拟最为精确。

风力机组尾迹控制策略研究

为减小风力机尾迹的影响,以实现风场总功率最大化及风力机组气动性能全局协调控制的目标,采用大涡模拟(Large Eddy Simulation,LES)方法,基于致动线模型,利用开源CFD软件OpenFOAM对9种风力机组偏航控制及9种风场错列布置进行数值模拟,比较这18种方案的风场总功率,并结合流场参数分析不同尾迹控制策略影响风场下游风力机的流动机理.结果表明:尾迹对下游风力机气动性能影响严重;2种尾迹控制方法均可实现全风场优化,其中各偏航控制下,风场总功率最大可提高35.3%,风场错列布置时最大可提高68.5%.

一种耦合仿生翼型降噪机理研究

基于NACA0018翼型,将波状前缘、锯齿尾缘和表面脊状3种仿生结构进行耦合,形成WSR翼型,并采用大涡模拟和FW-H方法研究了WSR翼型在不同雷诺数和攻角下的流场和噪声特性。结果表明:在小攻角、低雷诺数下WSR翼型可降低噪声5 dB左右;在大攻角下,锯齿尾缘结构加剧了尾缘处流动掺混,改变了尾迹涡结构,降低了翼型尾缘处的涡量,进而使噪声降低8 dB左右。

硅钙摩尔比对准东煤燃烧过程中矿物演变及灰熔融特性的影响

选择准东高钙五彩湾(WCW)煤作为研究对象,通过改变煤灰中硅钙摩尔比(M)研究煤灰熔融特性及矿物演变的变化规律,进一步借助FactSage热力学计算软件进行矿物平衡预测。研究表明:在WCW原煤灰中,矿物CaSO_(4)演变生成低熔点矿物Ca_(2)MgSi_(2)O_(7),使得原煤灰借助灰熔融温度(AFTs)预测其结渣、玷污时出现较大偏差。对于混煤灰,当M升高至3时,相比原煤灰,其中矿物CaSO_(4)的分解提前,SiO_(2)优先与CaO反应生成熔点较低的矿物CaMgSi_(2)O_(6),进而引起混煤灰的熔点降低;当混煤灰中M升高至5时,充足的SiO_(2)会与MgO发生反应,生成高熔点矿物Mg_(2)SiO_(4),使得此时混煤灰的AFTs显著提升,改善了煤灰熔融特性。热力学计算矿物平衡结果与X射线衍射分析(XRD)结果吻合较好,吉布斯自由能结果验证了矿物演变过程的合理性。