热科学与技术杂志

热科学与技术杂志2022年第5期

• 主动冷却对电磁轨道炮电流密度和温度时空分布特性的影响

  马硕,杨帆,农奥兵,马丹丹,黄达伟,颜聪,马洪亭

  为了研究主动冷却对电磁炮轨道电热特性的影响,并利用COMSOL有限元分析软件模拟建立了电磁轨道炮三维几何模型及电磁场、温度场和流场耦合数学模型，计算了无主动冷却自然冷却和有主动冷却条件下轨枢接触面和轨道横截面上的电流密度分布和温度分布特性。结果表明： 轨枢接触面上的温度分布与电流密度分布趋势一致,均呈上下对称分布,且越靠近电枢尾部,电流密度越大,温度越高。轨道内的主动冷却可以显著降低轨枢接触面上的电流密度和温度。轨道内部主动冷却可以使轨枢接触面上电流密度的最大值降低32.50%,最高温度值降低5.40%；轨道横截面上的温度分布特征与电流密度分布特征相似,均呈上下对称分布,且最大电流密度和最高温度均位于靠近轨枢接触面的一个薄层内。轨道内的主动冷却可以增加轨道横截面上电流的趋肤深度,降低轨道横截面上的最大电流密度和最高温度,最大电流密度下降26.25%,最高温度降低4.35%；轨道峰值温度随时间呈逐渐升高的趋势。轨道内的主动冷却可以降低轨道峰值温度和升温速率。轨道峰值温度从421 降低到393K,下降了6.65%。研究结果对于电磁轨道炮热管理策略的制定具有重要的指导作用。

• 大厚度树脂基复合材料的热风箱加热固化研究

  陈淑仙,顾威,蒋平清

  为研究某通航飞机典型树脂基复合材料热风箱加热固化过程中的热应力，建立了包括流固耦合、树脂固化放热的多物理场动量、热量输运模型和热应力模型，并通过实验验证了计算模型和方法的正确性。数值计算了不同厚度的层合板热风箱加热固化过程中的热空气流场，温度场以及层合板热应力场，并与热补仪加热固化过程中的对应参数进行对比。数值计算结果表明：热风箱在层合板周围能形成较高且稳定的温度环境，随着厚度的增大，层合板内温度分布更加均匀，层合板内部的热应力降低，且在固化过程中的热应力波动幅度减小。研究结果还表明，热风箱加热固化的板内热应力值在整个固化过程中均明显低于热补仪加热固化的热应力值，在升温阶段低幅达6%，在降温阶段低幅达10%。对于本文所研究的大厚度树脂基复合材料，热风箱加热固化具有较明显的优势。

• 不同加热方式下环路热管蒸发器可视化研究

  陈玉,陆燕

  针对环路热管内部工质相变及流动换热问题，设计了环路热管蒸发器中心通道可视化实验平台，研究了不同加热方式对热管内工质状态和传热特性的影响。结果表明：加热方式直接影响热管10W启动过程，双面加热启动速度最快。相同热载荷时，不同加热方式下环路热管热阻及蒸发器中心通道内液面高度和成核情况存在差异。10W - 40W热载荷时，随着热载荷的增大，三种加热方式的传热热阻均在减小。40W-50W热载荷时，顶部加热方式下的热管性能出现恶化，底部加热传热性能出现停滞，仅双面加热性能稳定并有提高趋势。随着热负荷的增加，蒸发器中心通道内气液界面升高、气泡的产生变得更加剧烈，蒸发器通过吸液芯向储液器的漏热量增加，进而影响环路热管的性能。

• 月壤蓄热块增材制造中的热流固数值模拟

  高迅佶,廖博文,熊伟,姚伟,全晓军

  未来月球探索中，月壤原位3D打印的致密蓄热块是实现原位能源利用的重要途径。月壤中难熔固体颗粒会影响月壤的烧蚀融合，造成空隙缺陷，降低蓄热块的蓄热性能。本文采用三组分（固-液-气）固液相变的格子Boltzmann模型，研究了熔滴在固体颗粒上的沉积与凝固行为。模拟结果表明：颗粒在与熔滴接触后随即附着在熔滴表面，液滴周围的颗粒阻碍了液滴底部空气的排出，造成了不规则的三相接触线和不均匀的温度分布与热流密度分布，最终导致空隙的产生。为了实现致密蓄热块的原位3D打印，需要对月壤进行筛选与提纯的预处理，避免月壤中因固体颗粒造成的空隙缺陷。

• 石蜡/泡沫铝复合相变材料对太阳池热性能的影响

  王华,张春阳,马晓蒙

  传统盐梯度太阳池以显热储热，储热密度较低。针对该问题，提出了在储热层添加石蜡/泡沫铝复合多孔介质相变层的方法。构建了宽度为300mm，长度为400mm，深度为500mm的小型实验太阳池，分别进行了传统盐梯度太阳池和添加石蜡/泡沫铝复合多孔介质相变材料（PCM）的太阳池热性能对比实验。实验研究与理论分析表明：未添加石蜡/泡沫铝复合PCM的下对流层（LCZ）的储存?和?效率的最大值分别13.814MJ/m3与9.38%；添加4块石蜡/泡沫铝复合PCM的LCZ的储存?和?效率的最大值分别15.659MJ/m3与12.05%，同前者对比分别提高了1.845 MJ/m3与2.67%，从而证明石蜡/泡沫铝复合PCM能够有效提高LCZ的储存?与?效率。此外，后者在太阳池LCZ的温度上升期可使其温度提高3℃左右，因此，添加石蜡/泡沫铝复合PCM能够提升太阳池LCZ的蓄热能力。

• 基于潜热填充床的双向变粒径结构热性能分析

  何西波,裘俊

  为改善潜热填充床的储/释热性能，提出了一种优化的双向变粒径球形储热单元填充结构，并基于实验室搭建的中高温相变储热实验系统，模拟分析了该结构相较于传统结构对填充床储/释热效率和时间的影响。结果表明，在保证相同储热量下，双向变粒径结构能够有效的提升储/释热效率，延长有效热流输出的时间。其中20:30:20（体积比1:1:1）的双向变粒径结构输出有效热流的时间为6685 s，放热功率为846.1 W，相对于其他的填充结构，综合热性能最好。该研究能够为进一步实现储热系统能量的高效稳定与梯度利用做铺垫。

• 氧缺陷影响铁基载氧体氧化-还原行为的分子动力学模拟

  王翠苹,杨美玲,赵荣洋,单明玄,梁文政,王坤

  铁基载氧体是化学链燃烧中最受青睐的金属载氧体。构造了氧化铁载氧体的S完整表面和S1*、S2*、S3*三种代表性缺陷表面，基于密度泛函理论（Density Function Theory，DFT），首先计算分析了氧缺陷对CO在α-Fe2O3表面上吸附反应的影响，即对比了完整和缺陷α-Fe2O3(0 0 1)表面上CO的吸附和生成物CO2的解离；其次将反应后的载氧体构型表面进行O2吸附反应的模拟；继而对此载氧体一个循环及过程中铁基载氧体表面的积碳趋势进行了模拟分析。通过吸附能、反应能垒和反应能等参数的比较，得到的主要结论为，在铁基载氧体表面还原、积碳、氧化反应中，S1*类氧缺陷具有更好的反应活性和抗积碳性能，具有良好的循环反应性能。该模拟研究为缺陷类型铁基载氧体的制备及其反应条件的确定提供指导。

• 光学热带法测量固态材料热物性研究

  朱红阳,徐屾,邵佳毅

  针对接触式瞬态热带法测量导热系数时,加热丝和样品间接触热阻,会影响实验测量结果以及对固体样品形状大小要求较高的现状,根据瞬态热带法原理,本文提出了一种光学瞬态热带法来测量固体材料的导热系数。采用连续激光为加热源,通过透镜将光斑放大并聚焦照射在样品表面,实现样品非接触式测量。构建二维导热模型,采用红外热像仪记录样品表面温升随时间的变化关系,根据导热理论模型求出待测样品的热扩散系数及导热系数。以K9和石英玻璃为样品对本套测量方法进行验证,制备并测量了纯石蜡、0.5%和1%石墨烯-石蜡的固态复合相变材料的导热系数,探讨了影响实验结果的潜在因素。

• 室内气流流动对辐射顶板供暖系统的影响分析

  陆美瑶,李念平,彭晋卿,阿勇嘎,袁宸章,黄晨昱,汪泳思

  辐射顶板冬季供暖时，室内会出现较大的垂直温差，且不符合人体“头冷脚暖”的需求。为了提高辐射顶板供暖系统的舒适性,分别对辐射顶板结合侧送风、下送风、上送风三种气流组织形式的供暖系统进行实验测试。结果表明：三种气流组织形式均能提高实验房间的操作温度;其中下送风（450rpm）工况的改善最显著。侧送风和下送风工况能减少室内的垂直温差，降低垂直不满意率，上送风工况增大了垂直温差，垂直不满意率超过20%。三种气流组织形式均能提高辐射顶板的供热能力，其中下送风（450rpm）工况下辐射顶板的供热能力提升最显著。

• 回热器孔隙率对VM循环热泵性能的影响分析

  董益华,李建设,罗海华

  孔隙率是表征回热器结构和效率的重要参数,影响整个系统的流动和传热特性。以热驱动斯特林循环的VM(Vuilleumier,维勒米尔)循环热泵为研究对象,建立了其内部回热器的模型,研究了在不同的热源温度、系统压力、转速、容积比和工质的情况下,孔隙率对整个热泵系统性能的影响。结果表明：随着孔隙率的增加,系统性能系数先增加后减小,在0.6左右达到最佳。在相同孔隙率的情况下,系统性能系数随着热源温度、系统平均压力、容积比、转速的增加而分别增大,并且增加的幅度是越来越小的。对于工质而言,氦气和氢气的性能较优,而氮气的性能较差。综合考虑安全等因素,宜选氦气作为工质。

• 钴铁复合修饰FER催化CH4还原NO性能研究

  周夏,苏亚欣,黄莎莎,杨迪,王聪颖,温妮妮,邓文义,周皞

  Co系镁碱沸石分子筛在CH4-SCR中表现出较好的潜力,为提高Co-FER的催化活性以及抗水抗硫性能,引入Fe对Co-FER进行改性。采用离子交换法,制备出一系列xFe/Co-FER催化剂,在固定床反应器中进行了CH4选择性催化还原NO实验,并利用N2吸附-脱附、UV-vis、H2-TPR和Py-FTIR等手段进行表征。结果表明,经过适量Fe修饰的Co-FER催化剂能够提高NO转化率、N2选择性以及抗水抗硫性能。0.46Fe/Co-FER在富氧条件下,500°C时NO转化率达到64.9%。加入0.02%SO2后,NO转化率能保持在58.5%左右,加入5%H2O后,仍能保持在54%以上的NO转化率。UV-vis结果表明,0.46Fe/Co-FER中含有更多游离态的Fe3+,因此具有更好的催化活性。H2-TPR结果表明,适量的Fe修饰Co-FER,可以使还原峰向低温移动,提高催化性能。Py-FTIR结果表明,催化剂表面均含有大量的Br?nsted酸和Lewis酸,Fe的引入会显著增加催化剂的Br?nsted酸含量。

• 煤焦异相还原NO的实验研究

  徐翔,盛丹华

  在U形石英管固定床反应器中实验研究了乌达煤焦对NO的异相还原作用。乌达煤焦在程序升温和快速升温条件下还原NO的实验结果表明,反应温度超过700°C时,NO的还原率开始迅速上升,在实验范围内,温度维持在800°C～1000°C之间,NO的还原率较高。反应区的初始氧气浓度越高,NO的还原率越低,表明煤焦与氧气的反应和煤焦还原NO的反应之间存在着较强的竞争作用。制焦温度越高、煤焦粒径越粗,NO的还原率越低,表明制焦条件对煤焦还原NO的反应性有较大影响。

• 某径向透平膨胀机可调喷嘴气动及结构设计

  冀文慧,姜东坡,邵志伟

  针对应用在天然气管网的压力能回收透平，为保证其在不同流量工况下的高效率运行，采用了进气可调喷嘴结构形式，通过气动计算与分析，研究了喷嘴叶型、喷嘴径向尺寸、喷嘴叶轮间隙、旋转轴位置对气动性能的影响。之后采用CFD方法对选定方案进行了不同开度下的性能分析，并进行了可调喷嘴的结构设计。研究结果显示：选定径向尺寸为80。0mm，喷嘴叶轮间隙为15.0mm，旋转轴中心直径为509.6mm时，膨胀机的气动性能与结构均比较合理。研究过程可为透平膨胀机可调喷嘴设计提供参考与指导。