热科学与技术杂志

热科学与技术杂志2023年第3期

• 固着液滴蒸发研究进展及展望

  刘联胜,刘轩臣,张文瑞,贾文琪,段润泽

  固着液滴是指附着于壁面上的液滴，其蒸发行为及传热传质特性是喷雾冷却、喷墨打印等相变传热传质领域的基础问题之一。文中重点针对固着液滴蒸发过程所涉及的自身形态演变规律、气液固三相耦合传热/传质/流动特性进行了综述。结合毫微尺度固着液滴基本蒸发模式、热质传递形式、气液两相流动特征和界面输运行为，分析了液滴性质、壁面条件、气相环境条件等关键因素对固着液滴蒸发过程的内在作用机制和影响规律，提出了微纳尺度固着液滴（群）热质传递过程与机理的相关研究展望。

• 管内疏水壁面纳米流体的传热与减阻特性研究

  高栋栋

  纳米流体强化对流传热的同时，往往不可避免地增加流动阻力，这将增大泵功，造成能量的浪费。疏水壁面具有减阻的特性，将纳米流体与疏水壁面相结合，试图达到既强化传热，又减小流动阻力的目的。多数的疏水壁面制备工艺，仅可处理小尺寸的平直壁面，，而无法在面积和曲率较大如管路内壁面做疏水处理。利用简单的置换反应方法，辅以低表面能苯甲酸修饰剂，制备得到了疏水的铜管内壁面。纳米流体在疏水壁面的对流传热和流动阻力实验结果表明，体积浓度2.000%的SiO2/DI-water纳米流体，可将对流传热系数提高18.10%，同时使达西摩擦系数降低4.9%。纳米流体和疏水壁面的搭配组合，是推动纳米流体在传热领域中广泛应用的有效方案。

• U型井开发干热岩井筒温度场研究

  何淼,徐宁宁,许明标,陈欢

  目前干热岩开发主要采用水力压裂的方式，而以U型井方法取代固有开发模式，具有减少水损、提高能量衰减周期，避免诱发地震等显著优势。因此，建立了U型井井筒和干热岩储层非稳态流动传热耦合模型，采用有限体积法结合Crank-Nicolson全隐式格式进行离散求解，并通过地热井数据验证了模型的可靠性。研究了干热岩开采过程中井筒及地层的温度变化特征，定量分析不同的敏感性因素对出口温度的影响，利用正交试验法明确影响取热量大小的因素排列。结果表明：各个因素的大小对出口温度影响明显，而影响取热量的因素由主到次排序为：注入流量、水损率、岩石导热系数、水平段长度、入口温度、井筒直径。研究成果进一步完善了干热岩高效热提取理论，可为我国干热岩地热能的开发利用提供借鉴作用。

• 非定常脉冲爆震来流下涡轮气动特征仿真研究

  杨杰,彭畅新,谭锋,张帆

  脉冲爆震涡轮发动机是未来涡轮发动机的一种有潜力的发展方向。为了厘清具有强非定常性的脉冲爆震来流下涡轮的气动性能及流动特征，为脉冲爆震涡轮发动机涡轮的设计提供技术支撑，采用非定常进口总压与总温边界条件对某单级燃气涡轮的开展了瞬态数值仿真计算分析。研究结果表明由于进口来流的强非定常性，涡轮内部流动在爆震周期的前段时间并未完全建立起流动平衡，故进出口的流量不守恒；焓降功率与扭矩功率、焓降效率与扭矩效率不相等；在一个爆震周期内，动叶进口气流攻角的变化幅度达到40°，出口绝对气流角的变化幅度达到50°。在一个爆震周期中，只有约1/4的时间段涡轮的气动状态接近设计点，故一个爆震周期中涡轮的综合功率较低。

• 偏心率对石蜡相变熔化过程影响的数值分析

  曹文凯,孙明生,王军,胡恩溢,黄秉坤,郭昕,杨世蜜

  数值模拟研究了内管和外管之间的圆心距离(偏心率)对石蜡在水平相变蓄热单元中熔化过程的影响。利用焓-多孔模型得到内管加热温度为60℃、65℃、70℃和偏心率为0.2、0.4、0.6、0.8、0.93工况下蓄热单元内的速度场,温度分布,液相率分布和综合传热系数。模拟研究结果表明,加热温度为65℃,偏心率为0.2、0.4、0.6、0.8、0.93,总熔化时间分别减少了31.6%、57.4%、76.4%、86.7%、86.7%,偏心率大于0.8,增大偏心率对减少熔化时间没有明显效果。加热温度为60℃,偏心率从0.8增加至0.933,Fo数增加了7.5%,总熔化时间增加。熔化过程中综合传热系数总体上逐渐减小。偏心率为0.6和0.8时,综合传热系数先增大后减小。熔化过程中,综合传热系数最大为329.72 J/(m2.K)。

• 场地有机污染土壤原位热修复过程中热质传递机制研究

  王世锋,姜泓杰,张涛,刘立朋,顾海林,詹明秀,徐旭

  针对现有原位热修复技术能耗较高且在修复过程中热质传递机制不明的问题，研究了现场试验过程中的土壤温度场变化、修复效果和能耗，采用数值模拟方法对温湿度场的变化进行了验证。结果表明：加热井呈正六边形排布时，修复区域的受热较为均匀，各测温点在修复35天后，温度均达到200 ℃以上，修复后场地满足第二类用地筛选值；试验过程中天然气用量总计685664 Nm3，每修复1 m3污染土壤约消耗62.8 Nm3天然气；加热井热量主要为修复场地侧壁供能，对于位置低于加热井的土壤作用较小，加热井轴向土壤体积含水率分布较为均匀，但加热井底部体积含水率较高，修复区域底部水分不利于修复场地温度的提升，数值模拟和试验数据的吻合度较高，平均相对误差MRE为20%．该研究结果可为场地有机污染土壤原位热修复技术应用提供技术支撑。

• 石膏浆滴在PTFE疏液表面润湿特性的可视化研究

  银了飞,郭舰,贾力,丁艺

  燃煤电厂膜法烟气水回收技术是实现节水的有效措施,然而烟气中含有的石膏浆滴会堵塞复合膜降低其水分回收能力,在复合膜前装设疏液表面用以提前捕集石膏浆滴或可成为有效解决办法。本文利用聚四氟乙烯材料(PTFE)制作疏液表面并实验研究石膏浆滴在其上的动力学行为特征,包括撞击、铺展和滑落等,可视化研究表面微槽结构对石膏浆滴撞击表面动力学行为特征影响,发现在PTFE表面增加微米沟槽能够进一步提高表面的疏液性,且顺向布置沟槽有利于浆滴快速脱落捕集并减轻表面污染。

• 供冷系统能耗评价模型及应用

  李沛峰,王潇,崔金玉,付文峰

  随着人民生活水平提高，供冷系统日益普及。受全球气候变暖和能源资源短缺问题影响，供冷系统能耗控制日益受到广泛关注。为科学表征供冷系统能源消耗状况，将供冷系统划分为六个子系统，从总能系统层次上给出了适合于各类供冷系统的广义化的能耗评价一般模型。在此基础之上，结合单耗分析方法，提出了供冷系统能耗的定量计算方法。采用了热力学第一定律、热力学第二定律分析，对供冷过程的热力学本质、冷量?、供冷能力等方面展开研究，系统阐述了供冷系统的理论节能极限及理论最低能耗，并立足总能系统对供冷过程的理论极限－可逆供冷作出了说明。在北京市目前设计标准下，供冷系统理论最低燃料单耗为0.82kg/GJ，当前供冷系统能耗水平（25.27 kg/GJ）与之相比，节能潜力甚大。为验证所构建的供冷系统能耗评价一般化模型，结合北京市通州区供冷系统的实施方案，对分散电制冷、集中电制冷、分散热制冷、集中热制冷四个基本类型的供冷模式进行了实例计算分析，并与四种模式的?分析计算结果进行了比较，结果显示：所提能耗模型与?分析结果一致，电制冷燃料单耗低于热制冷，分散制冷燃料单耗低于集中制冷，集中热制冷能耗较高，应慎重发展。所提出的能耗分析评估模型为各种类型供冷系统的一般化对比评估提供了理论分析方法，同时可为城市供冷系统的规划设计提供参考。

• 超临界二氧化碳再压缩布雷顿循环系统动态特性研究

  王广义,杨竹强,张博

  超临界二氧化碳布雷顿循环因其环保性与高热电转换效率而被视为核能发电未来发展的重要方向。本文借助Simulink软件平台,建立了SCO2再压缩布雷顿循环闭环动态仿真系统,通过模拟结果与Sandia实验数据的比较,验证系统模型的有效性。获得了热源功率和流量扰动条件下系统热力学参数的响应特征,热源功率的变化促使系统效率单调提升或降低,而改变系统流量未呈现类似变化趋势；扰动施加过程中,热源端温度变化明显,预冷器端温度变化较小。基于仿真结果,提出了具有针对性的机组控制策略,可为SCO2再压缩布雷顿工程应用奠定基础。

• 基于网格变形的涡轮盘挡板结构形状优化方法

  宋洋,李玉韦,程荣辉,靳力,徐胜利

  为了实现涡轮盘挡板结构的形状优化，需要对其形状进行参数化描述和设计，而传统的基于几何模型的参数化方法需要在优化过程中重复生成网格模型，不仅耗时而且难以保证网格质量，难以满足形状优化设计要求。因此，提出了一种基于网格变形技术的挡板结构形状优化方法。首先，建立了一种基于少量控制点驱动的网格变形技术，该技术在不改变CAD模型的情况下，通过控制点移动单元节点产生新的有限元模型。然后，以控制点位移作为设计变量，采用网格变形技术驱动挡板结构形状改变，高效地实现结构形状优化设计。最后，开展了航空发动机涡轮盘挡板结构形状优化设计，验证了所提出方法的有效性，数值结果表明，所提出的方法能够有效避免优化过程中的网格重剖分，提高了结构形状优化效率，获得了满足配合间隙要求的低应力涡轮盘挡板结构设计方案。

• 生物组织热边界条件反演研究

  宋苗苗

  对肿瘤热疗过程中生物组织表面热流及内部温度协同反演进行了研究。首先介绍了激光辐照下生物组织内部光热传输模型，并采用有限体积法和离散坐标法相结合求解生物组织内光热传输问题。然后介绍了模糊推理方法基本原理，并采用改进分散模糊推理方法同时反演了激光诱导肿瘤热疗过程中生物组织表面入射热流及内部温度场。最后分析了热流形式和测量误差对反演结果的影响。结果表明，改进分散模糊推理方法可以准确地同时反演组织表面热流及内部温度分布，并具有较强稳定性和抗误差干扰能力。