热科学与技术杂志

热科学与技术杂志2022年第6期

• 千瓦级空间堆热离子—碱金属混合式热电转换系统设计及性能

  张振寰,张昊春,张冬,王鹤茗,张海明

  针对空间核电转换系统静态热电转换发电效率低的问题，设计开发了一种新型的热离子-碱金属混合发电系统，即利用热离子转换系统的余热作为碱金属转换器的热源，利用余热进行二次发电以提高转换系统效率，通过建立热离子-碱金属混合发电系统数理模型，研究了热离子热电转换系统接收极功函数和系统电流密度对混合发电系统功率效率的影响，得到了两个参数的最优区间，计算结果表明热离子-碱金属混合发电系统相比于热离子热电转换系统效率约6％~10％，为静态热电转换系统的效率优化提供了理论依据。

• 基于R1233zd的泵驱两相流锂电池散热系统研究

  孙佳帅,李浩,王恩禄,陈江平

  随着人们环保意识的提升，车用锂电池得以飞速发展，水冷系统以其简单的系统结构被广泛应用于车用锂电池散热领域。水冷系统利用工质显热换热，不仅换热能力有限，也存在因工质泄露而引发短路、燃烧的安全隐患。泵驱两相流系统散热能力较强且安全，近年来多应用于航空航天领域，但是在车用锂电池散热方面的应用和研究较少，因此本文提出基于R1233zd的泵驱两相流系统替代水冷系统的锂电池散热方案。R1233zd具有无毒、不可燃且绝缘的特性，同时兼具环保性和较高的散热潜力，相比于传统制冷剂R134a，R1233zd具有更低的GWP和更高的潜热。本研究使用实验的方法，在使用相同实验台架且保持环境温度和冷源温度相同的情况下，对比分析热负荷为500W、700W、900W和1100W时，水冷系统和泵驱两相流系统的散热效果。结果表明：1）在相同散热量的情况下，泵驱两相流系统需要更低的流量，本实验中，泵驱两相流系统的流量仅为水冷系统流量的1/7；2）泵驱动两相流系统具有更好的散热效果，本实验中，其冷板温度比水冷系统低2℃到6℃、冷板下表面温差为水冷系统的1/7；3）泵驱两相流系统能够更好地抑制局部热点的蔓延。综上所述，基于R1233zd的泵驱两相流锂电池散热系统具有非常广阔的应用前景。

• 立管内椭球颗粒群强化传热特性模拟研究

  俞天兰,冯源,王依然,吴淑英,侯家鑫,彭德其

  为提高液固两相流传热效率，通过添加椭球形颗粒改善立式换热管内液固两相流分布，采用CFD-DEM数值模拟颗粒长径比β、颗粒进口体积分数α以及流体进口速度v与管内椭球形颗粒群传热的关系，并根据PEC指数评价颗粒强化传热能力。模拟结果表明：在1.5≤β≤2.5，2％≤α≤4％，1.0m/s≤v≤1.5m/s参数内，椭球形颗粒PEC指数总高于球形颗粒，即前者强化换热效果优于后者。

• 高孔隙率泡沫金属复合相变材料有效热导率的预测

  梁恒,刘益才,汪谦旭,郑梓敏,邓炎,姚尧,张玙

  基于十四面体泡沫金属的单元晶胞结构，提出了一种高孔隙率开孔泡沫金属复合材料有效热导率的预测模型。热量沿热流方向在金属骨架和填充介质中的并行传递，推导得出包含结构参数f（节点边长与韧带半径之比）和d（韧带半径与韧带长度之比）的有效热导率计算式。在孔隙率0.889≤ ε ≤0.977时，针对单元晶胞的十六分之一结构，采用数值模拟的方法并结合实验数据的对比分析，校正了与有效热导率紧密相关的两个无量纲参数f和d，并以孔隙率的二阶多项式拟合出f变量的函数关系，以孔隙率的三阶多项式拟合出d变量的函数关系，从而确定出有效热导率的预测模型。通过与其他几种预测模型和实验数据的比较分析，结果表明：验证了当前预测模型具有较高的正确性和有效性，与实验值的平均相对误差ARD和相对均方根误差RMS分别为2.93%和3.50%，相对其他模型具有更高的预测精度。

• 芒硝/蛭石复合材料蓄冷-释冷性能研究

  朱宸皓,王翠苹

  采用真空浸渍法制备了芒硝/膨胀蛭石（EV）复合蓄冷材料（CPCM），其中9wt%的氯化铵为相变温度调节剂，3wt%的硼砂(Borax)为成核剂；经筛选得到，EV与相变材料的最大负载质量比为1：6。制备的CPCM相变温度为16.2℃，潜冷蓄冷量为105.98kJ/kg，因为EV载体材料提高了比热容，使总蓄冷量达到120.68kJ/kg。芒硝基相变材料(PCM)与CPCM因EV的负载导热系数有所提升，并有效改善了无机盐类相变材料所产生的相分离问题。搭建循环测试装置，确定了CPCM的最优工况，并对CPCM进行100次融化-凝固循环，循环后对CPCM片层进行了SEM测试。结果表明，CPCM热性能稳定，片层无明显破裂，无相分离发生。复合相变蓄冷材料在24℃进口温度时释冷效果明显。故所制备的复合蓄冷材料CPCM适用于空调冷能储存，提高用冷经济性。

• 模拟井筒耦合传热大涡模拟的建模与数值求解

  侯永强,贾光政

  模拟井筒加温系统是研究油田井下高温高压环境的特种实验装置,其主体部分模拟井筒为耐高温高压的厚壁圆柱形封闭腔体,模拟井筒温度场是其加温系统设计与工作参数确定的基本依据。分析加热过程中腔体内流体与厚壁腔体之间的动态耦合传热,通过合理简化建立了井筒加热物理模型,给出了其基于大涡模拟方法的数学模型,采用有限差分法和应用投影法求解模型。研究结果表明：模型和求解方法可以用于高温高压模拟井筒流固耦合传热研究,其实验误差低于16%；通过模拟计算得到了井筒及其腔体内流体的动态耦合传热过程温度场分布规律,为模拟井筒加温系统设计与工作参数确定提供理论依据。

• 车载板翅式油冷却器的实验研究

  张壮,游永华,王盛,卲坤,易正明,袁泉

  某型车载板翅式油冷却器采用锯齿翅片强化油侧传热。利用风洞实验台对该油冷却器进行实验，测试其不同空气和油流量条件下的传热和流阻性能，并拟合了传热性能经验关联式。采用对数平均温差法建立油冷却器性能模型，以分析其空气侧部分遮挡工况下的实际性能。为提高油冷却器性能模型预测精度，借助FLUENT模拟得到了其锯齿翅片传热和流阻的特性数据。研究表明，正常工况下，油冷却器基于油侧表面积的总传热系数为49～74 W/(m2·℃)，空气侧遮挡将显著降低油冷却器传热性能。

• 冷却边界下变孔隙多孔介质燃烧特性研究

  王恩宇,史忠天,唐世乾,陈苗苗,刘联胜

  针对天然气等高热值气体燃烧氮氧化物排放高和多孔介质烧蚀问题，设计开发了变孔隙多孔介质燃烧试验系统，研究了不同燃烧器内芯结构的孔隙排列方式及冷却空气流量对燃烧温度及污染物排放的影响。结果表明：积木式结构外环孔密度呈阶梯状排列比呈均匀型排列更有利于热量沿燃烧器径向传递；积木式结构的内芯孔密度呈阶梯状排列时，有利于提高燃烧室下游的温度；随着冷却空气流量的增大，冷却空气吸热量所占燃烧放热量的比例由23.62%增至70.87%，尾部烟气带走热量占燃烧放热量比例由71.65%降至21.63%，CO排放升高，NO排放最低降至3mg/m3。

• 轻烃燃气着火延迟特性研究

  樊玉光,敖一龙,吴松,党文波,王嘉乐,牛斌

  轻烃燃气是一种新型燃气，产地不同会造成主要成分戊烷异构体含量不同，着火延迟时间是描述燃烧特性的重要参数也是验证动力学机理的重要依据，本文使用CHEMKIN PRO模拟研究温度1000～1800K、压力1～20atm、当量比0.5～2.0范围内正戊烷异戊烷不同掺混比对着火延迟时间的影响，采用生成速率分析法（ROP）和敏感性分析法探究正戊烷异戊烷掺混比对着火延迟时间的影响机理。结果表明：温度增加会减小着火延迟时间；在本文研究压力范围内，掺混比影响着火延迟时间趋势较为复杂；从贫燃料区至富燃料区，当量比增加会减小着火延迟时间。异构体中随着正戊烷含量减小着火延迟时间增加，掺混比的影响随着温度、压力增加而减小；OH是戊烷反应消耗脱氢的主要自由基，正戊烷易与OH、HO2反应脱氢，异戊烷易与H、O反应脱氢，当正戊烷含量减少时，OH和HO2消耗减少、H和O消耗增加；反应过程中的主要自由基R（C5H11）基和QO（C5H10O）基含量随着正戊烷含量减小而减小；温度为1000K时，正戊烷敏感性系数最大的反应促进着火减小着火延迟时间，掺混异戊烷后敏感性系数最大的反应抑制着火增加着火延迟时间，当温度为1800K时，敏感性系数最大的反应均为R1，其他反应敏感性系数相对较小，掺混比对着火延迟时间的影响较小。

• 工业供热中汽汽再热器换热强化数值研究

  林宝森,李志炜,李志龙,翟黎明,谭锐,殷戈,姜燕妮

  为了强化工业供热中的汽汽换热，本文通过CFD技术对不同类型换热管的流动及换热特性进行了研究。结果显示，光滑壁面时管壁两侧的高、低温蒸汽的温度梯度沿着流向逐渐变化,对流换热逐渐增强；相比于光滑管，采用内波节管和内螺纹波节管时，高温蒸汽侧的温度梯度增大，而低温蒸汽侧的壁面温度梯度明显增大；采用壁面异型结构能够改变管壁内温度梯度，采用内螺纹波节管尤甚。采用内波节管和内螺纹波节管的平均Nu数相比于光滑管显著提高，最大值分别提高了26%和30%。

• 竖直三维内肋管管内变压器油自然对流换热特性

  陈凌,龙震泽,邓斌,罗华东,廖强,丁玉栋

  利用田口法对具有不同肋结构参数的竖直三维内肋管管内变压器油自然对流换热特性进行了实验研究，获得了肋高、肋宽、轴向间距和周向间距等肋结构参数对管内自然对流换热性能的影响规律，提出了肋结构参数最佳组合。结果表明，变压器顶层油温从40℃变化至100℃，肋高和肋宽对换热性能的影响占比基本不变，周向间距的影响占比逐渐减小，轴向间距的影响占比逐渐增大；相比光管，三维内肋管的自然对流强化换热性能随顶层油温的增大而增加，变压器油自然对流Nu最大约为光管的1.75倍。拟合了竖直三维内肋管管内变压器油自然对流换热计算关联式，其与实验数据的最大偏差为±16%。

• 新型强化换热管管外流动与换热特性

  梁展程

  针对新型强化换热管的几何特征，采用三维数值模拟方法，分别从速度—压力场协同性、综合评价因子ε、速度—温度场协同角三个方面对扭曲管、波节管、波纹管开展研究。对波纹管的实验测量结果与数值模拟结果最大相对偏差为2.35%。数值模拟结果表明，纹管管外Re从569~7 399变化，总压降从3.78增长到317.30Pa；扭曲管Re从508~7 622变化，总压降从0.84增大到62.50Pa；波节管Re为580~7 550变化，总压降从1.29增长到110.00Pa，波纹管阻力相比波节管最大提高186.7%，相比于扭曲管提高408.4%，Re4 500时波节管换热性能逐渐超越扭曲管以及波纹管，在计算范围内Nu比扭曲管最大提高5.17%，比波纹管最大提高5.40%；波节管的周期性波峰对于强化换热和减阻作用显著；波纹管的压降、强化换热表现均弱于波节管和扭曲管。根据计算结果拟合出Nu数与Re、Pr的实验关联式，为管壳式换热器设计提供一定的理论和依据。

• 直接接触式低温烟气余热回收塔设计参数优化研究

  潘晓伟,王绍民,李硕,周贤,王长军,刘峻,王瑞元,彭烁,王艳娟

  烟气余热回收塔能通过塔内气-水换热过程,回收烟气显热和水蒸气汽化潜热,降低机组排烟温度,并且回收大量冷凝水。本文基于燃机电厂拟开展燃机烟气余热利用工程,对填料式余热回收塔进行换热模型构建,并对填料式余热吸收塔主要参数进行了研究与优化。研究结果表明,随着填料塔塔径的增大,填料层压降随之减小,填料静持液量和总持液量均随之减小。随着冷却水流量的增大,填料层压降随之增大,填料层高度随之减小,填料静持液量和总持液量均随之增大。随着填料比表面积的增大,填料层压降随之增大。

• 双流体喷嘴与旋转雾化器雾化性能对比实验研究

  陈海杰,李飞,车广民,谷小兵,高飞,刘峰均,杨林军

  双流体喷嘴和旋转雾化器是利用热烟气蒸发处理脱硫废水的两种常用雾化设备，利用PDA测试系统，对比测试分析了雾化流量、脱硫废水无机盐含量及悬浮物浓度等对雾化性能的影响，并结合两类喷嘴的雾化机理分析了雾化性能差异的原因。结果表明：与双流体雾化喷嘴相比，旋转雾化器具有更好的适应流量变化及雾化含悬浮性颗粒脱硫废水的性能，在SS浓度低于50000mg/L范围内，仍能维持良好的雾化性能，但双流体喷嘴则无法正常雾化；雾化TDS浓度在40000 mg/L以下的中低盐脱硫废水，旋转雾化器和双流体喷嘴均能维持良好的雾化性能，但雾化TDS含量高达60000 mg/L以上经预浓缩后的高盐废水，雾化性能均有所变差。