目录|2024年第11期

摘摘要：本文设计并搭建了一种使用低聚光倍数的复合抛物面(CPC)聚光器的双流道太阳能光伏/光热(PV/T)系统实验装置。介绍了该双流道PV/T系统的设计原理和实验装置的组成，制备了Ag纳米颗粒和Ag/水纳米流体，并对不同浓度的Ag/水纳米流体的光学性能进行了测试。对使用Ag/水纳米流体的双流道PV/T系统的运行进行了全天实验测试，测试结果表明，使用Ag/水纳米流体的双流道PV/T系统可以维持长时间的稳定运行，具备相对较好的日应用技术可行性。使用Ag/水纳米流体的条件下，PV/T系统稳定运行时的热效率约为56.1%，效率约为25.5%，光伏组件的填充因子和最大输出功率为0.602和74.2 W,PV/T系统的总电效率为8.5%。

摘要：本文提出了一套LNG冷能回收冷冻淡化蓄冷耦合系统，LNG冷能驱动有机朗肯循环做功的同时，实现海水的冷冻离心淡化后，将离心的脱盐冰作为蓄冷介质储存，并对系统展开热力学和经济性分析。结果表明，系统的淡水日产量为119.66 t，对外输出净功为52.10 k W，投资回收期为3.23年。新型耦合系统的淡化成本为0.48 USD·t-1，远低于传统的反渗透膜淡化成本。

摘要：超临界二氧化碳布雷顿发电循环中压缩机的气动性能与其工质独特物性变化规律密不可分，准确的性能测试技术和评估方法尤为关键。本文参照ASME PTC-10标准首先探讨S-CO2压缩机替代性试验的可能性，通过不同替代方案的分析得出工质和亚临界工况替代测试对S-CO2压缩机性能估算的不适用性；其次分析在近设计点测试时，进口参数变化对工况稳定性及测量精度的影响。最后以5 MW发电系统中压缩机设计案例，提出可行的测试方案建议，以达到降低测试成本和难度的目的。基于该研究可以为S-CO2压缩机开发过程中准确的性能测试提供参考。

摘要：本文针对行星式层流搅拌流场及其混合性能分别开展了数值计算和可视化试验研究。数值计算结果表明，在行星式搅拌方案中，搅拌桨周期性掠过搅拌槽内大部分区域，打破了常规中心搅拌方案流场的对称性，减少了流场中的环流区，扩大了流动高速区。此外，增加搅拌桨的自转速度可以加大流场中高、低速区之间的速度相对差值。可视化试验结果表明，行星式层流搅拌方案可以促进不同区域流体的物质交换，混合隔离区面积显著减小，搅拌罐内上、下层流体的混合过程存在差异。增加搅拌桨的自转速度，可以进一步改善流体的混合效果，最终，搅拌罐内的流体可以得到充分混合。

摘要：银粉作为光伏电池栅线的重要材料，对太阳能效率有直接影响。本文发展反应流动数值模拟与离散区间法颗粒群平衡模型高效结合的方法，研究了抗坏血酸还原剂化学还原法连续合成微米正银粉体过程，探究了流动、混合、化学反应和颗粒形核、生长等过程的相互影响规律。研究发现反应器混合效果好，反应pH值通过抗坏血酸电离控制反应速率，从而影响前驱体消耗在成核与生长过程中的配比，进而影响最终出口颗粒总数与平均粒径。

摘要：在海洋油气输运管道中，存在诸多瞬态行为会引起局部的压力波。大幅度压力波的传播会引起井口压力的大幅波动，严重威胁下游处理设施的平稳运行。本文在管径为46 mm、长1657 m的水平管道，使用高频压力信号获取了脉冲压力波在段塞流中的传播特性数据。研究发现脉冲压力波的传播遵循幂律衰减，沿管道长度呈现出非线性、色散性特征。气相的可压缩性严重阻碍了脉冲压力波的传播，随着表观气速的增大，压力波传播速度减小，衰减程度进一步增大。水平管段塞流中脉冲压力波的整体平均传播速度和衰减系数的范围分别为45～351 m/s和0.921～2.137×10-3dB/m。基于长管道脉冲压力波数据，建立了段塞流中脉冲压力波传播速度及衰减系数的预测关联式。

摘要：作为一种大型洁净能源装备，煤炭超临界水制氢反应器内部是耦合传热传质和化学反应的多相环境。制氢反应器的实验和数值模拟研究产生了大量的多维、瞬时流场数据。本文首先通过空间插值处理所获得的非结构化多相流场仿真数据，并利用深度学习技术构建了数据驱动的三维多相流场时空预测模型3DReactorNet，对三维制氢反应器内复杂的多相流场进行学习，从而实现对未知工况下反应器内三维多相流场时空演变的快速准确预测。进一步地，本文通过MC Dropout策略度量了3DReactorNet模型预测结果的置信度。测试结果表明，3DReactorNet模型的预测结果与CFD计算结果高度一致，但预测速度远优于CFD仿真，有利于高效的反应器设计和优化。

摘要：气固流化床内压力分布的快速预测是其运行监测和优化的关键，本文针对气固流化床中压力分布的快速预测方法进行了深入研究。首先利用双流体模型(TFM)对流化床进行数值模拟计算，得到床内流场压力分布的变工况数据集。基于所得到的模拟数据集，采用本征正交分解(POD)分析并提取特征向量和对应系数。采用支持向量机回归(SVR)拟合投影系数，从而实现基于特征向量的气固流化床时均压力分布预测。结果表明单个工况预测所需时间为0.04 CPU小时，远小于模拟所需的332CPU小时；平均床层压降的预测结果与模拟结果高度一致，且压力平均百分比误差在0.01%内，POD能够高精度快速预测流化床压力分布。本文验证了POD在气固多相流领域应用的准确性和有效性，为流化床的工程应用和优化提供了新的研究方法和工具。

摘要：针对离岸油气管道流动参数时间序列及流型转变的预测，建立基于经验模态分解(EMD)和长短期记忆神经网络(LSTM)组合模型，运用贝叶斯理论对LSTM神经网络相关参数进行优化。相比于单独使用BP神经网络、随机森林算法和LSTM神经网络，本文提出的EMD-LSTM组合预测模型可以更好地追踪立管压差和幅值的演变趋势，大幅度提高预测精度，对流动原始信号及其统计量时间序列均适用。

摘要：质量引射现象广泛存在于高速飞行器主、被动热防护系统中，厘清该效应对气动热环境的影响机理，在飞行器高效热防护系统设计方面有重要意义。针对这一问题，发展了质量引射条件下的气动热环境数值计算方法，开展了高速来流下引射气体质量流率的大小和空间分布对气动热环境影响规律的数值模拟研究。结果表明，质量引射将改变近壁面的速度场、温度场及二者间的协同关系，导致传热减弱；引射气体质量流率越大，降热效果越明显；总质量流量相同时，引射气体质量流率空间分布将影响壁面冷却效果。

摘要：本文提出了一种基于聚光分频的太阳能定向制液态碳氢燃料系统，并对其进行了理论建模和热力学分析。该系统中，聚光太阳能被分频，一方面短波太阳光子被用于光伏发电，所产电能直接驱动质子交换膜电解槽电解制氢，为二氧化碳加氢制甲醇提供氢源，另一方面，长波太阳光子加热换热工质实现储热，为二氧化碳加氢反应提供热能并确保反应期间温度稳定，余热供海水淡化/自来水蒸馏、直接空气二氧化碳捕集等方式获取系统反应原料，从而实现全光谱高效梯级利用的太阳能驱动液态碳氢燃料定向制备。研究结果表明：标准AM1.5G阳辐照条件下，砷化镓光伏板的温度为105℃时系统可获得最大?效率，为23.40%，对应产氢量为2.84 L·min-1，再循环二氧化碳加氢反应器压力5 MPa，反应温度220℃，碳氢比1:3条件下，氢气转化率68.19%，甲醇产物选择性97.90%，对应甲醇产量为0.91 g·min-1，太阳能制甲醇的燃料效率为6.08%。本研究为助力碳减排，促进碳中和提供了重要的技术方案。

摘要：本文收集了含有广泛流动压降实验数据的综合数据库用于驱动机器学习算法预测压降。该数据库共包含1016个来自公开文献的实验数据，数据涵盖了17种工质及宽广的测试工况。XGBoost和ANN两种机器学习模型被用于拟合和预测压降数据，它们对测试集数据的平均绝对相对误差(MARD)分别为11.51%和9.16%。此外，利用获得的高准模型分析了各参数对压降的影响权重，揭示了影响流动冷凝压降预测的关键参数。

摘要：电子器件小型化和集成化导致芯片热流密度升高，并使在受限空间内的散热变得具有挑战性。硅基蒸汽腔(Vapor chamber, VC)提供了一种简单、可靠且易于集成的散热方案。本文设计并制作了一款尺寸为7 mm×7 mm×0.6 mm的超薄硅基VC,搭建了实验系统，探究了三种工质(2100A、无水乙醇、去离子水)对硅基VC传热性能的影响。实验结果表明，以无水乙醇为工质的硅基VC热阻最低，相较于未充液的VC热阻降低了61.4%，以去离子水为工质的硅基VC在高热负荷下表现出最优的均温性能。

摘要：闪蒸是一种高效快速的相变方式，具有巨大的工程应用价值。本文针对伴随着流动的闪蒸产汽过程，建立了压力驱动的变饱和温度的Lee相变模型，并结合VOF模型对入口过热度3～6 K，初始液位高度0.3～0.8 m的纯水闪蒸进行了数值模拟与机理分析。结果表明，入口区域的剧烈相变产汽优化了闪蒸室内的气液与温度分布，是促使闪蒸室产汽速率和工质转化效率增加的重要因素，研究范围内，入口过热度的提升与初始液位高度的降低可以使出口工质的不平衡系数分别降低约55%、35%，入口过热度与初始液位高度的提升可以使蒸汽发生速率提升约292%、191%。

摘要：采用变普朗特数模型对超临界CO2/丙烷混合物在垂直上升管内的传热特性进行数值分析。混合物中丙烷的质量分数为0～15%（ω=0～15%）。ω从0%增加到10%时，平均换热系数升高，壁温峰值逐渐减小且沿流动方向向后移动，局部传热恶化得到改善。ω=15%时，壁温单调增加传热恶化消失。丙烷对壁温的影响随着进口温度和热流密度的减小而逐渐增大。Tin=285～290K范围内，CO2和CO2/丙烷混合物（ω=5%）的壁温峰值分别变化20 K和2 K，而传热系数谷值的最大变化为6.1%和1%。此外在G=500 kg·m-2·s-1、Tin=285～295 K、q=50～70 k W·m-2宽工况范围内，提出用于CO2/丙烷混合物（ω=0～15%）的传热预测关联式，关联式的误差在±20%内。

摘要：聚偏氟乙烯(Poly （vinylidene fluoride）,PVDF)材料在热界面材料以及海水淡化蒸馏膜等领域有着广泛的应用，对其热导率开展研究具有重要意义。本文采用平衡态分子动力学方法研究了不同聚合度和不同温度下PVDF材料的热导率，证明了随着温度的增加和材料聚合度的增加，PVDF的整体热导率均呈现增加趋势。此外，对其整体热导率的分解研究表明，在一定温度下λC和λB分别仅与分子的回转半径的倒数及宏观密度有关，且呈现线性关系；当PVDF分子的回转半径较大时，λNB与回转半径呈近似线性关系。基于大量的数值模拟结果，本文分别提出了λC，λB，λNB以及材料整体热导率的关联式。上述研究对于PVDF材料的设计及应用具有重要的指导价值。

摘要：由于多孔材料具有优异的强化换热能力，在新型热防护系统中被广泛应用。本文以断层扫描获得的多孔材料切片为研究对象，采用分水岭算法对材料各向异性进行表征，结合双分布格子-Boltzmann方法对其流动换热特性进行研究。结果表明：流动沿骨架未拉伸方向时，流动路径更曲折，涡系结构更复杂，导致渗透率更小，换热能力更强，且不同方向渗透率之比与结构各向异性因子在数值上基本相同，说明多孔材料不同方向流通能力受结构各向异性影响。在过渡区，多孔材料不同方向换热能力的差异随雷诺数增大逐渐增大；在达西区和强惯性区，不同方向换热能力的差异不随雷诺数变化。

摘要：热格子Boltzmann通量求解器(Lattice Boltzmann Flux Solver, LBFS)是求解流动传热问题的重要方法。传统热LBFS基于标准离散速度模型，在计算效率方面存在不足。针对该问题，本文发展了求解流动传热问题的简化离散速度热LBFS。基于包含较少离散速度的二维五速(D2Q5)模型，发展了求解热力学能方程的LB方法。采用有限容积法(Finite Volume Method, FVM)离散宏观控制方程，并在多尺度分析的基础上，通过所发展的LB方法计算界面宏观守恒量通量，采用显式时间推进方法更新单元守恒变量，实现了不可压缩流动传热问题的求解。最后，采用方腔内部自然对流和同心圆环内部自然对流等两个经典算例验证了所发展热LBFS的计算能力与精度。

摘要：为了了解密度极值流体Poiseuille-Rayleigh-Bénard(P-R-B)对流流动和传热性能，采用有限容积法对具有不同宽高比水平矩形流道内冷水的P-R-B对流进行了三维数值模拟。结果表明，随着密度倒置参数的增加，Rayleigh-Bénard对流强度减弱，说明密度倒置参数对二次流动具有抑制作用。充分发展区平均Nusselt数随Rayleigh数和截面宽高比的增大而增加，随密度倒置参数的增大而减小。基于计算结果，拟合得到了密度极值流体P-R-B对流充分发展区传热关联式。

摘要：实验研究了低沸点工质R134a在铝基微通道热沉内的流动沸腾特性，分析了饱和温度、质量流速以及热流密度对流动沸腾换热系数、压降、通道沿程壁温分布及流动不稳定性的影响。结果表明：在中高热流密度下换热系数随质量流速的增加快速提升，换热系数最高达到53694 W·m-2K-1。饱和温度越高，微通道热沉进出口压降越小，压降振荡幅值也越小。随着质量流速的增加，通道沿程壁面温度呈现较好的均匀性且压降振荡不稳定性得到抑制。

摘要：开展了亚临界压力下大宽高比矩形窄缝通道内的过冷沸腾换热试验研究，通道截面尺寸为60 mm×2 mm，试验参数覆盖了板状燃料堆芯的实际运行工况，其中压力为10～16 MPa。采用电加热的方式模拟了板状燃料组件的发热，结果表明，通道的大宽高比致使加热平板在横向方向上表现出传热不均匀性，并由此产生较大的横向壁面温差，与周向均匀传热的通道相比，其部分沸腾区间的范围更大。由于横向传热的不均匀性，在单相对流传热和部分过冷沸腾区，观察到较为明显的横向浮升力效应；此外，质量流速的降低、热流密度的增大以及系统压力的升高均会加剧横向传热的不均匀性。

摘要：雾化蒸发是储能、碳捕集、废水处理等工业领域广泛使用的高能耗工艺环节，而利用热辐射加热液滴群不仅可实现容积式快速加热，还易结合太阳能实现绿色生产。为了实现热辐射对雾场液滴群高效、快速的加热，本文对单液滴辐射传输性能开展了研究。首先，采用区域法对不同外部辐射、液滴形态、辐射物性参数下单液滴对投入辐射的反射、吸收和透射过程建立了计算模型。其次，在投射角为0～180°、液滴长宽比为1～10、当量直径为0.1～1.0 mm、液滴吸收系数为10～15000 m-1、折射率为1.2～2的范围内对其辐射传输性能开展了研究。结果指出：在反射环节，液滴总体反射率与当量直径、吸收系数无关；在吸收环节，液滴对辐射有表面式与容积式两种吸收模式，当液滴光学厚度小于1时，容积式吸收占优，此时提高吸收系数或折射率可使液滴获得均匀快速的升温长宽比越大，升温速率越大，且对外部投射方位的选择性越强；液滴的总体吸收率随当量直径的减小或长宽比的增大而降低、随投射方向几乎不变；在透射环节，随当量直径的减小或长宽比的增大，与投射方向位于长轴异侧的透射辐射定向辐射强度迅速增大、液滴总体透射率单调升高。本文研究结果可为热辐射加热液滴群等工艺环节的设计与调控提高参考。 

摘要：本文利用有限元分析软件对3D集成芯片中不同形状的硅通孔(TSV)结构进行电–热–结构耦合分析。研究结果表明：圆环形TSV的应力水平远小于圆柱形和圆锥形TSV。在相同激励电压下，减小TSV直径、增大TSV高度、减小SiO2厚度均可提高TSV的可靠性。对圆环形TSV进行正交实验发现，TSV的直径和中间介质对最高温度、最大应力影响程度较大。在单层TSV阵列中，当中心间距较小时，圆环形TSV出现应力叠加现象，应力叠加水平受中心间距与排列方式的影响。

摘要：由于能量密度高、成本低和循环寿命长等优点，锌溴液流电池成为大规模储能技术的候选者之一。但目前关于锌溴液流电池的建模工作比较缺乏，操作及结构参数对电池性能的影响规律和相关储能机理揭示还不够充分。基于此，本文建立了锌溴液流电池的二维瞬态模型，对电流密度、压缩电极厚度及电极活性面积对电池性能的影响进行了研究。结果表明，电池过电势随电流密度增加而增大；压缩电极厚度会减小电池的欧姆损失，但会增大浓度极化；随着电极活性面积增加，会增大电池的欧姆损失和浓度极化，造成电池的能量效率降低。该工作有益于理解锌溴液流电池的储能特性，也可为高性能电池设计提供理论指导。

摘要：研究了超疏水表面上再结冰现象，分析了基板温度对润湿性的影响以及再结冰对表面防冰性能的影响。观察到从不同高度融化位置的再结冰形态有差异，融化线处于较高位置可以形成尖端，融化线处于中间及以下位置时，在融化线处形成清晰的边界，并在边界边缘产生不规则的小冰晶。融化线位置越低，边界就越明显。再结冰时超疏水表面的防结冰性能变得极弱，冻结延迟时间比单次冻结时小一个数量级，成核温度范围为-2～-6?C。

摘要：研究了电子冷却液HFE-7100在底部带微柱阵列结构的硅基腔槽微通道内局部稳定超高热流下的沸腾气泡核化和超快速生长现象。利用高速相机和红外热像仪对气泡成核临界热流条件和生长过程进行了观测分析，并确定了质量流率和微柱疏密差异等对气泡成核生长的影响规律。研究发现，局部加热条件下气泡成核所需热流密度高达1965～3886 W/cm2，整个气泡生长过程发生在200μs以内。超高热流下气泡生长主要经历高速线性膨胀和平缓收缩坍塌两个阶段，气泡前期生长速率可达约20m/s。与光滑表面相比，微柱阵列结构表面能够有效降低气泡成核的壁面过热度和热流密度。

摘要：CO2电催化还原是一项极具应用前景的CO2利用技术，关键在于高性能催化剂的开发。本文采用密度泛函理论与机器学习相结合的方法，研究了过渡金属二硫化物及其掺杂改性衍生物（MS2）的CO2电催化还原性能，提出了基于MS2型过渡金属硫化物的CO2电催化还原催化剂的设计方法，高通量筛选获得高性能的催化剂。结果表明，机器学习对CO和H吸附能预测的平均绝对误差分别为0.154 e V和0.098 e V；金属掺杂可以通过调控吸附能提升催化剂的活性；在立方晶型MS2催化剂表面，Fe、Co、Ni是有效的活性位点，可以设计与开发活性位点占比高的FexCoyNi1-x-yS2催化剂。本文对过渡金属二硫化物催化剂在CO2电催化还原领域中的设计与开发提供一定指导意义。

摘要：纳米反应器方法通过模拟活塞周期性地压缩运动加速化学反应，在不预设反应坐标和基本步骤的情况下，高效发现新的反应中间体和反应机制。本工作中，分别使用纳米反应器方法和分子动力学方法模拟了氢气和JP-10的燃烧反应过程，发现纳米反应器方法可以高效揭示反应物的燃烧反应路径。同时，纳米反应器在JP-10的模拟过程中发现了一些新的基元反应。