热科学与技术杂志

热科学与技术杂志2023年第1期

• 不同简化机理对高压直喷天然气船机燃烧和排放影响研究

  李敬瑞,叶映,罗伟凡,毛一玲,刘海峰,尧命发

  基于三维CFD仿真软件模拟了高压直喷天然气船机的燃烧过程，探讨了四种不同简化程度机理对燃烧和排放的影响规律。结果表明：四种机理均能很好的预测高压直喷天然气船机在不同喷射时刻下的缸压和放热率。四个机理预测的燃烧相位和最高爆发压力随喷射时刻提前或推迟变化趋势一致；预测的不同燃烧相位的温度、当量比和NOx分布存在较小差异。但35步机理和27步机理预测的碳烟排放比334步机理和250步机理高。整体来看，受船机大尺度计算资源高限制，耦合简化的35步和27步机理的CFD模型预测的燃烧参数最大误差小于4.3%，预测的NOx排放最大误差小于12%，能够满足船机工程开发需求。

• 喷嘴布局对加力燃烧室燃烧性能的影响

  付垚,朱健,高源,贾亢,孟繁睿,程岩岩,文清兰,汪林全

  为研究喷嘴布局对加力燃烧室燃烧过程及主要燃烧性能参数的影响，选择了某典型加力燃烧室，设计了两种喷嘴布局及在两个典型状态点的供油策略。方案1的喷杆数量少，喷嘴布置得更集中，内区喷杆在状态点1不工作；方案2的喷杆数量多，喷嘴布置得更分散，所有喷杆在不同状态点均工作。此外，两种方案喷嘴对应的喷射区域存在明显差别。应用Fluent模拟不同喷油条件下,加力燃烧室在两个状态点的燃烧情况。数值模拟结果表明：方案2使加力燃烧室内燃油分布得更均匀，改善了燃烧过程，提高了不同状态点的总温。相较于方案1，方案2使加力燃烧室在状态点1的总温升增加了49 K、燃烧效率提高了0.033，在状态点2的总温升增加了64 K、燃烧效率提高了0.041。然而，方案1在两个状态点的热态总压恢复系数较方案2分别高0.004和0.003。

• 三维填充床内换热及热回流机理研究

  李楠,史俊瑞

  利用计算流体力学（CFD）对顺序排列多孔介质小球的三维填充床进行数值模拟。研究填充床内位置及空气流速变化对温度分布、努塞尔数影响，并对多孔介质小球的热回流特性进行分析，揭示填充床内传热机理。结果表明：相比于气-固两相交替存在处，与小球相切处的热的非平衡性更强。最高温度上游的换热强度与下游相比更强烈；当流速增加时，上游的对流换热作用增强，下游变化不大。在热回流过程中，在入口区域对流换热占主导地位，导热和辐射换热作用较弱；在主流场区域，导热占主导地位，其次是辐射换热，对流换热作用最弱。

• 多孔金属和方柱复合结构池沸腾数值模拟研究

  刘中仪,徐治国,秦杰

  本文针对一种多孔金属和方柱复合结构,采用双粒子分布函数格子Boltzmann方法对其池沸腾传热进行数值模拟研究。分别调整了下部方柱的柱宽/槽宽(W/D)、柱高H和上部多孔层的厚度,分析了不同结构的沸腾换热曲线和传热机理。流场和温度场分别用密度分布函数和温度分布函数来描述,底部固体采用定压边界条件。研究发现,方柱-多孔层复合结构可以有效的强化沸腾换热。结果表明,低热流密度下,具有较小的W/D的结构换热表现更好,高热流密度下,较大的W/D换热表现更好；换热效果随结构柱高H的增大而增加；多孔层厚度的变化对整体结构的强化效果影响不大。

• 高盐溶液蒸发过程的分子动力学模拟与分析

  吴少文,于幸娟,邱兰,朱羽廷,吴志根

  随着膜浓缩工艺产生的高盐废水急剧增加，热蒸发技术在减量化处理高盐废水工程当中得到广泛应用。本文采用分子动力学模拟方法，从微观角度研究了含KCl和CaCl2的高浓度溶液在铜表面的非稳态蒸发过程。研究结果表明，盐溶液蒸发过程中的蒸发水分子主要来源于远离离子的自由水分子，而离子配位水分子对蒸发水分子贡献不大，在相同加热温度下两种盐溶液的蒸发速率都比纯水低，并且加热温度越低，差距越大。同时，由于Ca2+和水分子的作用强于K+和水分子的作用，相同摩尔浓度的KCl溶液蒸发速率大于CaCl2溶液。由于界面离子的存在改变了其周围水分子的取向，有利于界面水分子与碰撞水分子间氢键的形成，使得两种溶液蒸发系数都低于纯水。

• 基于烟囱效应的通信基站热沉优化设计

  王妙智,师春雨,刘伟,刘志春,刘欣,李帅,汪艳

  利用数值模拟的方法，探究了烟囱效应对通信基站热沉自然对流散热的强化作用，对影响热沉散热性能的主要因素及其机理进行了分析，并以热沉热阻作为优化目标，通过优化翅片间距与隔板间隙的取值提升了热沉的散热性能。在优化设计过程中，通过模糊均值聚类对拉丁超立方抽样所得的样本点进行筛选，快速并有效的缩减了设计区间，使用Kriging模型对新设计区间内的均匀样本点进行拟合，构建了热沉热阻与设计变量间的代理模型，并结合遗传算法寻优，确定了最优设计参数取值。在最优参数布置下，相比于初始热沉，热沉的发热面温度降低了15.23 K,总热阻降低了34.29%。

• 方管与圆管中石蜡蓄热的对比研究

  邹勇

  针对不同形状管道对蓄热状况影响不同，建立了圆形管道与方形管道的石蜡蓄热模型，运用FLUENT软件对其熔化过程进行了仿真，讨论了自然对流及石蜡厚度对石蜡蓄热的影响。计算结果表明：熔化初期，方形装置内的固液界面呈“脚丫”状，而圆形装置内的固液界面近似呈椭圆状。自然对流对熔化结果影响较大，对流的存在加速了石蜡的熔化；在自然对流的作用下石蜡的熔化速率先快后慢，而熔化总时间与石蜡厚度成正相关。在蓄热单元面积保持不变的情况下，当内管周长相等时，方管内石蜡熔化总时间大于圆管内石蜡熔化总时间；当内管面积相同时，方管内石蜡熔化总时间小于圆管内石蜡熔化总时间。

• 石墨烯量子点GQDs纳米流体导热系数模型

  赵贵青,仇中柱,李林

  本文综合考虑布朗运动、纳米液膜层、粒子簇、微尺寸效应等多种因素的影响，建立了石墨烯量子点（GQDs）强化基液导热系数计算模型，使用Hot Disk热常数分析仪测量去离子水和质量分数分别为0.002%、0.004%、0.006%、0.008%、0.01%的GQDs纳米流体的热导率进行验证，并且用预测模型对更高温度和更高质量分数GQDs纳米流体的导热系数进行了预测。研究表明，模型预测误差不超过2.5%，准确度较高，可以很好地预测不同质量分数GQDs纳米流体在不同温度下的导热系数；GQDs纳米流体由于布朗运动引起的类似对流换热的作用提升了导热系数；而GQDs的添加比例并非越大越好，添加比例过高反而会产生沉降效果，抑制导热系数的提升。

• 机械过冷CO2引射制冷系统性能研究

  郭宪民,杜晓录

  利用R134a机械过冷系统对CO2引射制冷系统（ERS）气体冷却器出口工质进行冷却，实验研究了在不同过冷度、排气压力及蒸发温度下机械过冷CO2引射制冷系统（MSERS）的性能，并与ERS系统性能进行了对比分析。结果表明,MSERS系统的COP随着过冷度及排气压力的变化存在最大值，最佳过冷度约为16℃，而最佳排气压力约为8.5Mpa；随着蒸发温度升高，MSERS系统的引射比及COP均增大，且引射比随蒸发温度增大的速度在低蒸发温度工况下比较小。MSERS与ERS系统性能的对比表明，在实验蒸发温度范围内MSERS系统的COP大于ERS系统，且在低蒸发温度工况下MSERS系统COP的改善幅度更大;在蒸发温度小于1℃的工况条件下MSERS系统的引射比比ERS系统的引射比提高了约2.5%～6.0%；在不同的一级节流阀前温度工况下，MSERS系统制冷量比ERS系统提高了约27.2%～35.5%，COP增大了约6.2%～17.6%。

• 复杂热源下不可逆诺维科夫热机最大功率输出

  赵明,夏少军,于亚杰

  考虑实际热机工作下的旁通热漏和内部耗散等不可逆因素，建立了包括连续均匀分布、三角形分布、二次分布和帕累托分布等四种不同的统计概率分布高温热源温度下的广义不可逆诺维科夫热机模型，导出了热机最大输出功率及相应的热效率和熵产率的随高温热源温度、内部不可逆性等因素变化的关系式。结果表明：热漏和内部耗散分别对热机性能有着不同的影响，热漏使统计热源温度分布下最大功率输出对应的热效率减小，同时也增大了熵产率，但对热机的最大功率输出无影响；内部耗散不可逆性使热机的最大输出功率及相应热效率均明显减小，但使熵产率先增大后减小；熵产率随高温热源温度的标准差增大而减小。研究结果对太阳能发电厂性能提升具有一定理论指导意义。

• 非对称波节管在汽汽换热中的传热及熵产分析

  林宝森,谭锐,李志炜,张洪涛,何秋婷,王炯铭,殷戈,姜燕妮

  为了揭示非对称波节管在汽汽换热中的强化作用，本文通过数值模拟的方法研究了对称型和非对称波节管在汽汽换热中的流动换热特性及熵产分布规律。结果表明，采用非对称型结构易于使流体与壁面贴合，并增大壁面处的温度梯度，强化波节结构与流体之间的换热；高温蒸汽侧波节结构的两端和低温蒸汽侧波节结构凸出位置的局部熵产值最大，且对流换热的效应较强。随进口流速增大，对称型和非对称型结构的壁面平均努塞尔数的变化趋势基本一致，采用对称型波节结构的压降要大于非对称型波节结构，因而采用非对称型波节结构的经济性要优于对称型波节结构。

• 内蒙古中南部农牧区居民过渡季热舒适研究

  白叶飞,李伟,唐汝宁,康晓龙

  文章以内蒙古中南部地区乌兰察布周边某农牧区为例,通过现场跟踪测试和主观调查相结合的方法,采用PMV和MTS以及热中性温度等指标,分析了生土民居、砖瓦民居、民生工程民居在过渡季的人体热舒适性。结果表明：在过渡季,三种民居中MTS与PMV存在偏差,但整体均为MTS高于PMV,说明居民能够适应温度较低环境；生土民居、砖瓦民居、民生工程民居的实测热中性温度分别为15.9℃、16.6℃和18.8℃,预测热中性温度和实测差值分别为2.1℃、1.9℃和1.2℃,民生工程民居差值最小,说明其室内热环境优于砖瓦民居和生土民居；对农牧区居民80%和90%实测热中性温度范围与室外日平均温度回归分析,得出适宜当地居民过渡季的人体热舒适模型,为研究农牧区居民在过渡季的热舒适性提供参考。