热科学与技术杂志

热科学与技术杂志2024年第6期

• 境外教学档案袋的发展、侧重点及教师反馈 ——对清华大学能源与动力工程系工作的启示

  彭夏尧,杨震,段远源

  我国高校现行的传统教学评价方式具有一定局限性。教学档案袋以其全面性和反思性有望为教学评定和教师能力提升提供新思路。统计、比较和总结了境外13个教学档案袋的建设思路和主要指标，并提出分类方式揭示各个指标的内涵，进而分析了不同学校对教学档案袋内容的侧重和期待。进一步地，讨论了教学档案袋的优劣以及教师对教学档案袋的认知反馈，并以清华大学能源与动力工程系为例探索了我国教学档案袋应用的初步策略。

• 基于核电厂典型润滑油燃烧的表面汽化速率实验研究

  刘爽阳,曾硕,吕兴兵,罗家欢

  液体燃料的表面汽化速率是火灾燃烧的重要参数之一，对其开展机理性研究对于火灾安全防护具备重要意义。本文使用高速摄像机，采用背光摄像技术，通过实验研究核电厂典型润滑油在常压状态不同温度下的表面汽化速率。测量不同时间节点下核电厂典型润滑油（Shell Alexia SAE 50）的温度与对应油层厚度的实验数值，研究其蒸发特性，为核电厂的防火设计提供依据。

• Fe2+浓度对玉米芯光合生物制氢的影响

  路朝阳,张全国,李文哲,孙勇,张寰,曲斌,段琪正,梁小玉

  论文以玉米芯生物质为光合生物制氢底物，主要研究了不同Fe2+浓度对玉米芯光合生物制氢过程中氢气浓度、产氢速率、pH值、氧化还原电位、还原糖浓度等的影响规律，并提出了玉米芯生物质光合生物制氢动力学参数及其特性。实验结果表明：在Fe2+浓度为1600 umol/L时获得了最大比产氢量48.64 mL/g、最大累计产氢量243.12 mL和最大氢气浓度60.24%，此时最大累计产氢量高于对照组124.46%，Fe2+能够缩短光合细菌的产氢延迟期，显著提高了光合细菌的生物制氢性能，可为完善Fe2+类微量元素添加剂强化光合生物制氢过程的理论，以及进一步研究开发光合生物制氢强化技术提供科学参考。

• 预混式燃烧腔内混合及燃烧特性研究

  刘华,刘硕,王华山,苏健,范林啸

  以预混式燃气灶为研究对象，采用数值模拟的方法对燃气灶进行冷态模拟与燃烧模拟。冷态模拟对比分析不同结构对燃气灶内组分分布的影响，燃烧模拟研究火孔角度等参数对燃烧火焰的影响。建立内部结构不同的两种混合腔，高度始终为47 mm，空气入口速度为1 m/s，甲烷入口速度为5 m/s。冷态模拟结果表明，适当减小混合腔收缩段长度，增加扩张段长度有利于混合气在混合腔内的混合，缩放结构混合腔较背压结构混合效果提升了15%；燃烧模拟结果表明，相同边界条件下，火焰高度、烟气温度波动范围随火孔角度的增加而增大，火焰宽度随着角度的增大而减小，该模型理想火孔角度为70°。

• 恒热流边界摆动射流冲击冷却的换热特性研究

  颜健,田勇,谢欣旖,彭佑多

  针对均匀热流边界下聚光光伏电池的高效均匀冷却问题，基于动态化冷却思想，提出了一种新颖的摆动射流冲击冷却方式实现动态均匀控温。考虑到摆动射流冲击冷却的流动换热复杂性，本文仅从二维数值模型开展初步探索，详细分析了摆动频率f、雷诺数Re、靶面长度与槽缝宽度之比LT/D、冲击间距与靶面长度之比H/LT与最大摆动角α等关键参数对靶面努赛尔数分布与换热均匀性的影响，初步掌握了摆动射流冲击冷却特性。结果表明，靶面的周期时间努赛尔数Nut随着摆动频率f的增加而逐渐降低，而其换热均匀性则呈相反变化趋势；Nut随雷诺数的增大而线性增加，最优Re=12000时靶面平均Nut可达31.90，同时换热非均匀因子只有0.059，表现为优异的均匀冷却效果；随着最大摆动角α的增加，靶面Nut呈现为先降低后增加再降低的复杂非线性变化，而射流刚好扫到靶面的端点位置时并非最优换热效果；靶面上最大努赛尔数Nu的位置和数值均随时间变化，在射流与靶面垂直时Nu数值最大，而在倾斜射流冲击时Nu略有下降，相对传统射流冲击冷却，摆动射流冲击冷却更具有灵活性和动态适应性，能有效提升靶面的换热均匀性。

• 800t/d炉排式垃圾焚烧炉燃烧运行数值模拟研究

  曹卫,刘晓,何志刚

  针对大型生活垃圾焚烧炉燃烧运行过程中存在炉内温度分布性差、气流扰动性不足及污染物排放不达标等问题，运用计算流体力学（CFD）对焚烧炉进行数值模拟分析，研究了800t/d炉排式垃圾焚烧炉燃烧运行过程中床层及炉膛内气体温度、速度及各组分浓度等分布情况。结果表明：炉内温度分布良好，可燃物燃烧较为充分；炉膛出口烟气平均温度达到1146K（873℃），满足我国垃圾焚烧烟气污染物排放的规定；二次风入口处速度值最大，二次风的喷入可在炉膛内形成湍流，促使炉膛内各组分混合均匀，有效遏制二噁英类有机物的生成。通过研究可为提高垃圾燃烧效率、烟气污染物排放达到国家排放标准提供一定的理论依据，也为焚烧炉的结构优化设计提供可靠保证。

• 焓-多孔介质模型数值求解策略研究

  丁鹏

  讨论了NITA计算策略对求解效率及稳定性的影响，结果表明采用NITA法可显著缩短计算时间；通过焓-多孔介质模型与VOF模型耦合的计算方法，研究了相变材料体积膨胀因素对其相变过程传热特性的影响，验证了Boussinesq近似的合理性；探究了糊状区常数对相变过程数值模拟的影响，得到适用于本模型的糊状区常数的取值。

• 金膜非平衡传热过程中电子-界面热输运研究

  李根,祝捷,张中印,樊轩辉,周敬,唐大伟

  随着半导体与微电子技术的高速发展,高频器件内金属薄膜与电介质间的电子-界面热输运成为重要的研究课题。本文基于双温度模型讨论了金膜非平衡传热过程中可能存在的四种边界条件。结合时域热反射法测量了不同厚度的金膜,其中,79 nm金膜在电子-声子耦合过程中,受到金/基底界面的影响较小,可以忽略,获得了与理论预测结果一致的电子-声子耦合因子；对于较薄的50 nm金膜,边界上的电子-声子散射对超快非平衡传热过程的贡献不可忽略,因此测量得到的电子-声子耦合因子低于79 nm 金膜的值。该研究揭示了界面载流子散射可以对不同厚度和基底条件下的金属薄膜内超快非平衡热输运过程的贡献规律,为深入研究微纳电子器件的微观热输运问题提供了重要的实验支撑。

• 结构化填充床内流动和传热特性的数值研究

  李炳辉,李楠,史俊瑞

  利用孔隙尺度方法对气体在有序排列多孔介质小球填充床内的流动和传热特性进行数值研究。采用离散坐标辐射(Discrete Ordinates)模型描述相邻小球的辐射换热,分析小球直径和空气流速度变化对填充床内流动、传热特性的影响。数值模拟与文献结果吻合较好。结果表明：小球直径从2.8-5.6mm时,气相和固相的平均温差逐渐增加,温度波动加剧；温度分布、小球直径和排列方式对填充床内平均流速产生影响；当入口流速从0.23-0.63m/s时,锋面温度和辐射热流量降低。

• 圆柱形锂离子电池热失控行为的量化实验分析

  张厚继,张振东,盛雷,朱泽华,李志华,毕青

  针对圆柱形21700锂离子电池过热导致的热失控问题，本文通过实验模拟了电池的过热状态，量化研究了在不同荷电状态和热激励部位下，电池热失控过程中的燃爆特性、热场变化和质量损失。发现当电池荷电状态不高于50%且在其上部热冲击时，电池安全阀崩开时间短于中部约 (7.2±0.7)%，下部 (21.3±2.4)%，热失控触发时间快于中部 (7.7±1.5)%，下部 (17.2±2.5)%。在电池下部（15%荷电状态）热冲击触发热失控时，电池质量损失明显加大，分别高于上部21.2%、中部23.6%，燃爆的剧烈程度也更强。但随着电量进一步增大，热失控触发速度加快，并出现边际效应。电池在高荷电状态下热滥用时，产生的高浓度可燃物易被迅速点燃，并加速热失控反应。本文结果对研究人员快速掌握21700电池的热失控行为及其安全存放、运输等，具有一定的参考意义。

• 熔融盐单罐集成蒸汽发生器储热系统的释热规律研究

  康峰,田钧,陈慧明,龙飞

  随着“碳中和、碳达峰”的提出，太阳能发电、风电等可再生能源再次受到广泛研究，而储能技术是制约其大规模利用的最主要瓶颈之一。因此，本文提出一种单罐熔融盐集成蒸汽发生器储热系统，并采用FLUNT软件对熔融盐在蓄热单罐中的流动规律和传热特性进行数值模拟研究。通过改变螺旋管换热器的换热面积、节距和布置方式来分析储热罐放热时熔融盐的平均温度、温度场、速度场以及放热功率的变化规律，研究结果为单罐熔融盐集成蒸汽发生器储热系统的设计提供一定的指导意义。

• 污泥掺混湿垃圾共燃特性研究

  周宇,林其钊

  随着我国经济的快速发展,城镇化进度越来越快,污泥(Sewage sludge,SS)产量急剧增加。污泥中含有多种有害物质,若不妥善处置会严重污染生态环境,威胁人类身体健康。焚烧是最直接有效的污泥处置方式之一,掺混生物质能有效提高污泥燃烧性能和排放,与城市生活垃圾共燃可同时实现城市生活垃圾和污泥的资源化和减量化。本文将污泥和湿垃圾(Wet waste,WW)进行掺混,分别从热重分析(TGA)、傅立叶变换红外光谱(FTIR)、动力学等方面对污泥、湿垃圾及其混合物的共燃烧特性进行了实验研究,通过人工神经网络(ANN)模型预测样品热重(TG)数据,得到了ANN模型和TG数据之间的明确关系。结果表明：污泥和湿垃圾的燃烧行为存在明显差异,湿垃圾的掺入可以显著提升混合物的燃烧性能,降低混合物反应活化能,改善污泥燃烧状况,促进污泥的燃烧和气体产物的形成。ANN模型预测数据可以用来进行实验评估和共燃烧反应器设计,对降低污泥和湿垃圾工业化应用的成本非常有利。