热科学与技术杂志

热科学与技术杂志2025年第4期

• 固体冷表面对液滴冻结形变的影响分析

  张哲

  本文搭建了液滴冻结可视化实验装置，选取T2紫铜(Ⅰ)、7075铝合金(Ⅱ)和304不锈钢(Ⅲ)3种底板材料作为研究对象。探究了液滴体积和底板温度对液滴形变的影响，并研究了相变过程中相关参数的变化规律，如冻结时间、液滴高度及接触角等。研究发现：在表面张力，密度差及重力等综合影响下，液滴形变有相似的规律：高度升高，液滴轮廓变为由弧形变为锥形，奇异尖端形成等。其中，冷表面Ⅰ上的液滴形变率最大，且体积影响下液滴冻结前后高度增长率的差值均在10%以内。当冷表面温度由268K降至255K时，冷表面Ⅱ受冷表面温度影响最大，降幅为15%。相较冷表面Ⅰ和Ⅱ，冷表面Ⅲ对液滴冻结有一定的延缓作用，且存在透明状的条幅；研究液滴冻结的形变规律，能更好理解冻结机制，为工程实例中低温环境下防/除冰技术提供数据支持。

• 高山风电场风机叶片覆冰/融冰预测模型

  韩斌,曾斯准,孔繁新,刘志强,谢楠

  为了预测高山风电场风机叶片表面覆冰/融冰情况，本文通过正交试验法设计工况，利用数值仿真的方法模拟了不同工况下风机运行时叶片表面的覆冰情况以及停机时叶片表面的融冰情况，建立了基于气象参数的覆冰/融冰厚度预测模型。此外，对得到的覆冰/融冰模型做了参数分析，结果表明，在覆冰条件下，温度的减小、翼型合速度和绝对湿度的增加都会增加叶片表面的最大覆冰厚度；在融冰条件下，温度、风速、相对湿度的增加也会增加叶片表面的融冰厚度。

• 磁场作用下带凹槽冷表面结霜实验研究

  于广安,秦 妍,程显耀,李维仲,董波

  研究了在冷表面温度Tw= -5℃,环境相对湿度RH= 75%,环境温度为Ta= 25℃条件下,不同润湿性凹槽结构表面在磁场中的结霜规律。通过可视化实验观测,获得磁场强度、表面润湿性和凹槽宽度对结霜过程、结霜时间、结霜高度、液滴和霜晶覆盖率的影响规律。结果表明：磁场下,霜晶覆盖率和霜层厚度随着磁场强度的增加而减少,在0Gs到60Gs范围内每增加30Gs磁场强度霜晶覆盖率相应减少2%,90Gs时霜晶覆盖率减少10%；疏水表面对于结霜有抑制作用,液滴凝结在时间上滞后；霜晶覆盖率和霜晶高度随着凹槽宽度的减少而减少。

• 人工冰场浇冰过程的传热传质分析

  张振迎,王世琪,武雨萌,张派伟,黄春松

  针对人工冰场浇冰过程，建立了非稳态相变传热传质模型，研究了浇冰厚度、冰上运动和浇冰次数对冰面热流、冷管热流和冷管壁温的影响。模型中浇冰厚度在0.5 mm到1.5 mm，浇冰次数为1至3次，冰场工况分别为速滑、冰球和花样滑冰比赛工况。结果发现：浇冰第一阶段由传质释放的热量占浇冰总热量的90%；第二阶段由于潜热释放表面热量向外界传递，表面热流达到峰值；表面恢复到所需冰温所需时间约为20 min，而热量需要200 min以上才能达到稳定。还发现：三种冰上运动，随着冷管温度从-16 ℃增加到-9 ℃，浇冰时间从19.3 min增加到25.7 min，而冷管表面热量的峰值从500 kW减少到371 kW，冷管温度增加1 ℃，冷管表面热量减少17 kW-20 kW；随着浇冰次数的增加，任何厚度都会存在热量积累，厚度为0.5 mm-1.5 mm时，第二次浇冰相比第一次浇冰冷管表面热量增加了5 kW-34 kW，但是第一次浇冰对第三次浇冰影响较小，冷管表面热量变化在第二次浇冰后呈周期性变化。

• 声悬浮下乙醇-水二元混合液滴蒸发实验研究

  焦凤,熊坤,何永清,吴刚

  燃料液滴蒸发优劣对液体燃料扩散燃烧过程及相关设备性能具有显著影响，采用声悬浮方法将液滴处于悬浮态进行蒸发特性研究对提高发动机燃油利用率和优化燃油雾化性能具有重要指导意义。配置十种不同浓度的乙醇-水溶液，采用可视化实验研究了声悬浮状态下不同直径、不同浓度乙醇液滴在常温常压下的蒸发特性。研究结果表明，随着蒸发的进行，乙醇-水溶液液滴体积不断地降低，其长短轴比不断减小、液滴形状由椭球向球形变化；乙醇浓度较低时，液滴蒸发速率恒定；乙醇浓度较高时，液滴的蒸发过程呈迅速、缓慢、平衡三个蒸发阶段；乙醇浓度高大于浓度低的液滴蒸发速率，50%浓度二元乙醇-水混合液滴比10%和30%浓度的平均蒸发速率快29.1%和13.4%。

• 复合编织毛细芯平板热管传热特性实验研究

  郭威,胡成志,何一川,唐大伟

  为解决超薄热管有限空间内毛细极限低的问题,制作了一种复合孔径铜丝网毛细芯,并以R134a为工质制作腔体厚度为1mm的平板热管,毛细芯使用0.035mm的铜纤维多股螺旋编织形成大小两种孔道,采用碱性氧化法在铜纤维表面生长草丛状纳米结构。设计毛细性能实验台测试芯体的反重力性能,并制作平板热管进行测试。实验结果表明,修饰后芯体毛细性能相较于修饰前提高134.2%；修饰后铜网作为芯体的热管,水平放置时最佳充液率为40%,临界功率为26W,热阻为0.77℃/W；输入功率12W时,修饰后热管热阻相较于修饰前降低19.2%。

• 补偿腔高度对开口毛细蒸发器性能的影响

  汪冬冬

  为研究补偿腔高度对多孔蒸发传热的影响，测试了三组不同补偿腔高度的开口毛细蒸发器。开口毛细蒸发器的运行存在平稳启动、振荡启动、循环回流蒸发、过热运行4种类型。过热运行现象只出现补偿腔高度为12mm的条件下，该条件下没有出现循环回流现象。比较了不同热负荷下的响应速率，补偿腔高度为4mm时，蒸发器的启动时间较短；当热负荷较高时，不同高度下的启动时间接近。补偿腔高度低的蒸发器表现出的传热性能更为优越，但在反映传质性能的表面蒸发率方面，较高补偿腔高度的条件更为有利。结合可视化对实验现象进行分析，发现温度过冲现象往往伴随着毛细芯下表面气泡的行为变化，推测毛细芯底部的气泡会对蒸发器稳定运行产生一定影响。

• 不同断面冷却通道内超临界RP-3对流换热数值研究

  赵金辉,徐政,王子昂

  超临界状态下碳氢燃料的热物性将随着温度发生剧烈的改变，研究微小通道内超临界碳氢燃料的对流换热特性对主动再生冷却技术的发展具有重要意义。本文通过数值模拟方法，以超临界碳氢燃料航空煤油（RP-3）在不同微小冷却通道内的对流换热过程为研究对象，对比分析了圆形冷却通道与内螺纹冷却通道内，流体壁面温度、主流速度及主流温度、沿程平均换热系数的分布规律。研究发现：增加内螺纹后，流体出口处平均流速、出口处平均温度相比圆形冷却通道有一定程度的降低，冷却通道壁面峰值温度平均降低240K左右，说明内螺纹在一定程度上可以扰乱近壁面处流体流动，影响温度边界层和速度边界层的形成，且管内流体因内螺纹的存在做旋转流动，有效抑制了冷却通道内传热恶化的发生。

• 入口结构对非对称旋涡微燃烧器燃烧特性影响的数值研究

  王烈奎,唐刚志

  提出了一种采用非预混燃烧的非对称旋涡微燃烧器，可以用于微动力系统。为了提高非对称旋涡微燃烧器的燃烧与热性能，通过数值方法研究了微燃烧器切向矩形空气入口高宽比以及燃料入口大小和位置对火焰结构和壁面平均温度的影响。结果表明，切向矩形空气入口横截面积相同时，三种微燃烧器矩形空气入口高宽比越大，设计涡流数(Sg)越小，涡流强度越小，燃烧室前端的速度越小，火焰长度更短，火焰能更好的稳定在燃烧室内燃烧。轴向雷诺数(Rez)相同时，高宽比越大，反应区在燃烧器X轴方向的长度越短，壁面平均温度越高。矩形空气入口高宽比和轴向雷诺数(Rez)相同时，相同燃料入口位置，燃料入口直径小的微燃烧器壁面平均温度更高且壁面温度更均匀；在燃料入口直径相同时，燃烧器圆心到燃料入口圆心距离更大且靠近切向空气入口时，壁面平均温度更高且壁面温度更均匀。

• 基于热非平衡多孔介质和颗粒缩核分解的双膛石灰窑CFD模拟研究

  袁 泉,游永华,易正明

  在将石灰石颗粒与窑内气体视为骨架移动的热非平衡多孔介质系统基础上,借助Fluent软件多孔介质和组分输运-容积反应等模块建立了新的双膛石灰窑CFD模型。该模型采用2个自定义标量描述颗粒温度和CaCO3体积分数,通过缩核分解模型计算CaCO3内核与烟气的传热和传质,两窑膛在燃烧和蓄热模式间的切换则通过Scheme脚本实现。利用新模型模拟了一台工业规模双膛石灰窑。结合气体和物料温度及CaCO3体积分数云图,分析了窑内燃料燃烧与物料受热分解的耦合作用,以及窑膛模式切换诱导的物理场动态变化。最后,探讨了颗粒直径对石灰窑物料分解率和能源效率的影响规律。数值模拟表明：新CFD模型能以较少计算量和合理精度预测双膛石灰窑内复杂非稳态煅烧行为；在同一切换周期内,助燃空气温度随时间推移逐渐降低,而煅烧温度和排烟温度变化规律与之相反；增大颗粒直径,会显著增加多孔CaO外壳的传热和传质阻力,进而大幅降低石灰窑物料分解率和能源效率。对于本文双膛石灰窑,当颗粒直径从40增加到100和120mm时,物料分解率从96.58%降低到90.49%和85.82%,而能源效率的变化则是从87.01%到81.52%和77.31%。

• 气举强化液态铅铋合金自然循环数值模拟研究

  史泽林,卢涛,罗彦,王磊

  气举技术成为提高液态铅铋合金（Lead-Bismuth Eutectic，LBE）自然循环的有效手段。为探究注气启停阶段两个过程气举强化液态LBE自然循环回路内流动传热特性和两相分布特征变化规律，对注气启动阶段0-30 s进行瞬态数值模拟，30 s后关闭气体入口对注气停止阶段进行瞬态数值模拟。计算结果表明，注气开始后，液态LBE质量流量先快速升高再逐渐降低后缓慢升高；上升管内气相体积分数先增加再降低后略有增加；下降管内气相体积分数在9.5 s左右从0逐渐增加后趋于平稳；冷热源进出口温差分别在8 s、10 s左右保持稳定。注气停止后，液态LBE质量流量逐渐降低，降速先逐渐加快后逐渐减慢；上升管内气相体积分数逐渐降低降速逐渐减小；下降管内的气相体积分数在3 s内缓慢降低之后无明显变化；冷热源温差逐渐增大。

• 基于气液分离临界压差的T型通道设计模型

  黄国庆,关朝阳,贝守航,陈宏霞

  利用跨尺度T型通道实现两相流相分离可大幅度削弱相变热阻、提高弹状流相变换热性能，此气液分离调控的关键在于精准控制相分离压差。通过高速摄像以及压力测量系统同步监测T型微通道内弹状流相界面的运动以及主通道和分液支管通道的压力，定义实现液相分离的最大压差为临界压差，获得两相流流速(vl= 6-10 mL/min ,vg=6-15 mL/min)、通道尺寸(0.1、0.2、0.3 mm)对临界压差、压力波动及分液效果的影响规律；基于Ergun多孔材料内流动压降公式，以实现相分离的临界压差为依据，拟合相分离单孔结构参数设计模型，模型误差约为8%；此工作可为相分离高效相变换热器的结构设计及其工业应用提供指导。

• 千瓦级氯化盐吸热器样机稳态热性能实验研究

  杨思远,张轩志,程泽东,侯雨彤,蒋睿

  为探究下一代塔式熔盐吸热器的技术可行性并提供开发经验，本文设计搭建了高温氯化盐循环实验平台，在613~701 ℃的温度范围内研究了氯化盐入口温度、流量和入射能量对千瓦级氯化盐吸热器样机稳态热性能的影响。在研究工况范围内，样机的吸热器效率随入口温度的升高下降了5.46%。随着流量升高，吸热器效率受到强化传热的影响提升了11.22%~12.77%，入口温度较高时提升更显著。吸热器效率随入射能量的增加而升高，受流量和入口温度影响，增幅在0.96%~3.74%之间。