《工程热物理学报》目录丨2024年第8期

摘要：糖醇作为具有性能优异的中温相变储热材料备受关注，其热稳定性是制约材料实际使用的重要物性参数。本文以赤藓糖醇为研究对象，从质量损失、熔点变化、熔化焓衰减这三个指标综合评价了其热稳定性，并建立了其热稳定性评估的动力学模型。结果表明，赤藓糖醇加热后的主要气态产物包括多种小分子气体，固态产物主要体现在C=O键的生成。对质量损失、熔点和熔化焓等热稳定性表征参数变化进行了对比，发现赤藓糖醇熔化焓在空气氛围、145?C、48 h下降了10.2%，变化幅度明显高于其他两个指标，因此选择熔化焓衰减作为赤藓糖醇热稳定性评价指标。在氮气（N2）氛围下熔化焓衰减模型的活化能为80.0 kJ·mol-1，对数指前因子为15.14 h-1。基于模型进一步分析，在120～140?C下赤藓糖醇熔化焓半衰期为2401～7851 h。

摘要：将直接空气碳捕集（Direct air carbon capture, DAC）与可再生综合能源系统（Integrated energy system, IES）结合，是实现区域碳中和的有效途径。合理的配置方法是系统稳定、灵活、经济与零碳的前提。常规配置方法无法反映DAC吸附、解吸的动态CO₂传质特性以及能耗特征差异，导致非最优或不可行的配置方案。为此，本文构建了面向配置的DAC模型以反映其动态运行特性，在此基础上以包含投资成本、运维成本、可再生能源削减惩罚以及负碳排环境效益的年总成本为目标函数，建立DAC-IES配置模型，获得各设备的最佳容量与协同运行策略，揭示间歇波动供能背景下DAC的灵活运行机制。案例分析验证了所提出的配置方法的有效性与优越性。结果同时表明，DAC系统灵活运行能够实现与可再生能源更好地协调与更经济地碳捕集。

摘要：风电机组非定常数值模拟中模拟叶片运动所需的动态网格是CFD方法使用中最具挑战性的方面之一。为了探究滑移网格和重叠网格在风电机组非定常模拟中的应用差异，本文分别采用两种方法进行固定式和漂浮式风电机组非定常气动模拟。采用snappyHexMesh生成网格，并保证旋转域网格一致，分别对机组的总体性能、展向截面气动特性以及尾流特性三方面进行对比。研究结果表明，对于固定式和漂浮式风电机组，重叠网格方法计算出的功率均略微大于滑移网格方法；沿叶片展向从叶根到叶尖，吸力面低压区范围逐渐增大，压力面压力逐渐升高，重叠网格对于展向截面翼型表面压力差的模拟结果高于滑移网格结果，是风电机组总体性能计算结果偏高的直接原因；滑移网格模拟出的叶根及轮毂中心位置处风速要稍低于重叠网格结果，在叶尖位置处要略大于重叠网格结果。

摘要：针对轴流涡轮通流设计求解过程复杂和对设计经验依赖多等问题，提出了一种展向等密流通流设计方法。以E3涡轮为例论证该方法的优势。结果显示，通流设计与三维CFD模拟的参数展向分布基本一致。新设计方案通过调整密流的展向分布削弱了第一级动叶根部的二次流损失，进而使涡轮效率提升0.5%。提出的通流设计方法在提升计算稳定性、降低时间成本和提高涡轮气动性能等方面体现出一定的优势，能够切实应用于轴流涡轮设计。

摘要：贯流式水轮机被广泛应用于低水头电站的开发中，由于转轮叶顶间隙的存在，其安装会出现偏心的情况。而转轮对于尾水管涡带的形成与发展具有重要的影响。因此本研究通过数值模拟方法，分析了不同偏心距对涡带涡旋结构和能量耗散的影响。研究结果表明，转轮偏心会对涡带的扩张程度产生明显的影响，但是对涡带的长度影响不大，同时其会破坏尾水管中熵产率高值区的范围和结构，使高值区的中心愈发偏离轴心，造成能量耗散的不稳定。

摘要：随着电子元器件发热量的持续增加，传统的风冷散热已经无法满足当前数据中心的散热和节能的双重需求，而高效的沸腾换热技术是解决目前数据中心散热瓶颈的重要手段。为了进一步提升沸腾换热性能，本文设计了交错排列的肋片表面，研究了肋片结构对工质再润湿与气泡聚并脱离行为的影响，分析了沸腾换热时气泡群的行为特征，并测试了肋片结构参数对于沸腾换热的影响。实验结果表明，肋片的交错排布强化了液相的补充能力，延缓了表面的烧干，并将临界热流密度提升至44.45 W/cm²，相对光滑表面提升了100.4%，当肋片间距为0.5 mm时，能够获得最佳的沸腾换热系数2.50 W/（cm²·K），相对光滑表面提升了229%，本文研究结果为沸腾相变换热表面结构设计提供了指导。

摘要：本文采用相场–格子Boltzmann方法研究了偏心度B=0.06，韦伯数We=15～190情况下双铝液滴的碰撞行为。捕获了对撞双铝液滴的大变形融合行为及产生“卫星液滴”的自反分离行为，发现随着We增大，自反分离产生的“卫星液滴”数量增加。此外，将LBM模拟得到的铝液滴发生自反分离行为的临界We与两类自反分离模型的预测值进行了对比，发现与黏性液滴自反分离模型相比，忽略黏性的自反分离预测模型能够对铝液滴近对心碰撞中出现的大变形融合和自反分离行为的临界We进行更准确的预测，这与铝液滴低黏度的特点相符。

摘要：烧结型高通量管是一种新型的强化换热元件，能在较低的壁面过热度条件下产生剧烈的核态沸腾，促进工质的相变换热。为探究烧结多孔层对流动沸腾换热特性的影响规律，本文以制冷剂R141b为实验工质，对外径为25 mm、涂层厚度为0.3mm、孔隙度分别为65%和75%的外烧结型高通量管开展了实验研究。结果表明，在相同的壁面过热度条件下，高通量管较光管能大幅提高壁面热流密度，且孔隙率更高的高通量管其壁面热流密度更高。增加高通量管的孔隙度能增加汽化核心的数量和汽泡脱离的频率，但当加热壁面温度升高到一定程度时，汽泡无法及时从多孔层中逃逸而形成局部汽膜，导致高通量管的换热系数降低。

摘要：分叶式叶轮由于其叶片的分离和偏移能够很好地处理气液流动而被广泛应用在石油工业中。本文采用叶轮可视化及数值模拟相结合的方法研究了分叶式叶轮内的气液流动特性。在该叶轮中，气团会率先出现在内叶片入口及外叶片的吸力面。气团在延伸至叶片分离和偏移的位置时，受到来自相邻流道流体的冲击。采用欧拉–欧拉模型时，数值模拟得到的叶轮内气液流动与可视化得到的结果基本一致。在叶轮流道中，被气团占据的区域失去了增压能力，而气团未占据的区域仍保留一定的增压性能。

摘要：本文采用数值模拟的方法，研究了主流马赫数（Ma_m）对双射流孔与收缩型双射流孔气膜冷却效率与掺混损失的影响机理。结果表明：随着Ma_m增大，冷气贴壁性能增强，近气膜孔区域横向平均冷却效率增大。两种气膜孔结构的冷却核心主要是由下游气膜孔出流的冷气构成，上游气膜孔出流促使下游气膜孔出流贴近壁面，主射流作用形成的反肾型涡对可以促进冷气横向发展。在掺混损失方面，随着Ma_m增大，主射流速度、温度差异增大，气膜冷却造成的熵增不断增大，且主射流速度差异引起的熵增主要发生下游气膜孔出口附近，主射流温度差异引起的熵增主要发生在主射流掺混交界面附近。

摘要：随着石油的不断开采，轻质原油储量不断减少，分子量及黏度较大的原油逐渐成为开采的主要对象。本文构建了不同原油孔隙（C6、原油），采用分子动力学方法，探究了非凝析气体（N₂、CO₂及混合气体）在原油及其孔隙中的溶解微观过程，揭示了非凝析气体在不同原油及其孔隙中的溶解机理，并探究了温度压力的影响。结果表明，大分子沥青质、胶质对气体的溶解具有明显抑制，CO₂和N₂气体对稠油中轻组分存在萃取作用。同时CO₂在原油孔隙中的溶解能力、对壁面处原油的剥离能力强于N₂,N₂易在孔隙中部形成气体通道。另外，提升温度和压力均能提升气体对原油溶胀及孔隙中原油推动效果。

摘要：光线追迹用于建立传感器像素和火焰的映射关系，是火焰光场成像的重要步骤，服务于温度场重建。但目前常用的蒙特卡洛逆向追迹在承载辐射量计算上，存在精度不稳定、耗时长等问题。本文提出在光线传播方程加入透镜参数，测算投影光斑与透镜的交互关系，表征承载辐射量的积分。该积分追迹方法旨在简化传输模型、确保高精度的辐射量计算。为验证其有效性，使用不同光线密度的逆向追迹与本文方法对温度场采样，生成对应火焰光场图像，将不同采样样本训练的模型在标准数据集下作对比：随采样光线密度提升，重建温度场误差越低，当光线密度达50×50条/像素时，重建平均相对误差为0.275%，追迹过程耗时405.53 s；本文方法重建平均相对误差为0.246%，追迹过程耗时0.3 s。

摘要：传统的交流量热法采用一束经调制的激光周期性加热悬空的薄膜样品，通过热电偶测量样品表面距离加热点不同位置处的交流温升信号，由其幅值随距离的衰减(幅值法)或者相位随距离的滞后(相位法)来提取薄膜样品的面内热扩散率。本文提出新的基于光学的交流量热法可用于同时测定低导热块体材料的热导率及比热容。该方法的可行性通过测量无定形二氧化硅材料的热导率和比热容得到了验证，同时分析了测量误差，还讨论了实验测量应当使用的最佳光斑尺寸和调制频率的选择方法。

摘要： 辐射诱导下产生的纳米气泡在很多新兴产业中具有重要的应用价值；然而，在连续入射光照射下，小尺寸粒子表面气泡成核阈值高、产生气泡困难等问题限制了其在光流控、生物医学等领域中的应用。因此，本文提出将小尺寸纳米粒子组装成聚集阵列的方式，明显促进了其表面气泡的成核过程。不仅如此，当激发局域等离子共振效应时，发现局域增强电场能够进一步显著加快气泡生成。本文能够为促进纳米粒子表面气泡的成核过程提供新思路，为将小尺寸粒子应用于诸多新兴领域提供有力的理论指导。

摘要：本文对25～40 K过冷度下核态沸腾和气泡微细化沸腾时近壁面液体温度和速度分布进行了实验研究。结果表明：在核态沸腾区域，加热面附近液体热量通过气泡生长、脱离和浮升带离；高温区主要集中在加热面上方。在MEB区域，无气泡脱离发生，近壁面液体热量通过气膜剧烈振荡引入的对流过程向远端传递，以维持局部过冷度；此时加热面上方和边缘区域液体平均温度比远端液体温度约高4 K，且随时间剧烈波动。上述结果表明，核态沸腾和MEB时近壁面热量输运过程存在显著差异。

摘要：本文基于垂直结构的板壳式移动填料床太阳能颗粒换热器，实验研究了颗粒与不同板型壁面间的换热特性，并采用离散单元模型对颗粒在板内的流动轨迹和流动状态进行了三维模拟，分析了不同壁面形状对换热过程的影响机理。研究结果表明，与普通光滑铜板相比，波浪板对整体换热产生明显削弱，而粗糙板在高流量下(25～54 g·s^-1)也是削弱换热的。波纹板虽在低流量下(6～25 g·s^-1)削弱换热，但在高流量下(26～54 g·s^-1)可实现换热强化。进一步的数值分析表明，虽然波浪板、波纹板和粗糙板都会增强颗粒的波动，但也会延长颗粒的下落时间，当增强波动所引起的换热强化程度大于增长下落时间所引起的换热削弱程度时，整体换热过程便呈现强化效果，反之则出现削弱效果。

摘要：建立电磁振动风扇热壁面散热模型，研究电磁振动风扇对恒热流壁面的对流换热效果。以矩形扇叶为基础，构造9种锯齿形扇叶，采用实验和数值模拟研究方法，研究不同扇叶的散热效果。结果表明，在研究范围内，锯齿数最多时的三边锯齿扇叶对恒热流壁面的散热效果最佳，与矩形扇叶相比，该锯齿型扇叶使壁面平均温度和最高温度分别下降3.3?C和5.2?C。数值模拟结果与实验结果吻合较好。流场分析结果表明，在锯齿的作用下，扇叶诱导产生的大尺度旋涡被打碎成小尺度旋涡，因此对流传热得到增强。

摘要：准确获取高温燃气的热学性质是开展火箭发动机喷管数值仿真的基础。由于采用实验方法获取高温下气体热导率极其困难，基于理论计算手段预测高温下气体热导率成为更好的选择。本研究中，使用考虑高温电子激发态的Istomin修正计算了H₂、CO以及N₂气体在300～4000 K温度范围内的热导率。结合Wassiljewa方程构建了高温下多组分混合气体导热性质理论预测模型，预测了两种燃烧气体在300～4000 K温度范围的混合气体热导率，为喷管精细化仿真提供燃气热学性质参考数据。

摘要：随着车载、机载等交通输运系统电子设备散热需求的不断提高，喷雾冷却的应用领域逐渐增加、应用环境逐渐复杂，确定振动对喷雾冷却传热过程的影响有重要意义。基于VOF方法和动网格模型，建立了液滴撞击垂直振动壁面的数值模型，研究了壁面振动速度变化形式和振动参数变化对传热过程的影响。结果表明：对于方波、余弦波和三角波三种不同振动速度变化形式，在相同最大速度和周期下，壁面速度余弦波变化在最大速度较小时液滴有最高的传热能力；随着振幅和频率的增加，壁面振动先后通过改变接触面积和接触时间影响传热；振幅和频率较小时，壁面振动对传热有抑制作用，随振幅和频率的增大传热逐渐增强，频率过大时，虽然撞击点处温度降低但总传热能力减小。

摘要：能量转换效率低是制约热光伏发电进一步开发与应用的重要原因。为了突破这一壁垒，提升能量转换效率，本文以GaSb电池为研究对象，利用半导体物理和普朗克热辐射理论，探究以黑体为辐射源，温度分别设置为1000 K,1500 K,2000 K,2500K,3000 K，光谱区间0.4～2.0μm，电池温度变化范围0～200?C时，GaSb电池性能参数的变化以及能量转换效率；结合物性参数变化，确定电池在特定的光谱区间内，电池在热控温度下与辐射源的最佳匹配温度。结果表明：电池在不同的热控温度时，电池的能量转换性能不同；当电池热控温度在0～110?C时，最佳黑体辐射源温度为2000 K；当电池热控温度在110～200?C时，辐射源温度应该保持在2500 K。

摘要：二元共晶相变材料在储热及控温领域具有重要的应用价值，其过冷度在长期储能方面起到重要作用。本文基于CaCl₂·6H₂O和CaBr₂·6H₂O两种水合盐，合成了多组二元共晶相变材料，两种水合盐熔化温度分别为32.41℃和29.95℃，结晶温度分别为-3.42?C和12.52℃，对应的相变潜热为191 kJ·kg^-1和115 k J·kg^-1。通过对合成的二元共晶相变材料进行热物性测试，结果表明二元共晶相变材料的可调节熔化温度为15.5～28.17℃，最高过冷度为26.02℃，其潜热值随CaCl₂·6H₂O含量的增加而增大。此外，添加增稠剂能够有效改善材料的过冷稳定性。本研究为低温长期储能领域提供了更多可选择的相变材料，也为调节相变材料的相变温度以及通过相变材料实现长期储能目标提供理论支撑。

摘要：本文采用高速摄像–纹影技术研究了障碍物管道内不同当量比氢/空气预混气体的火焰加速过程。障碍物形状共3种：三角形、全切半圆形以及半圆形。结果表明，当量比通过影响火焰不稳定性和层流燃烧速度，改变了管道内的火焰演化过程以及传播速度。当量比(φ)为1.5时，火焰传播最快。障碍物形状对火焰加速有显著影响。带有尖锐结构的障碍物有利于火焰的拉伸和破碎，促进湍流化。极富燃料工况(φ=3)下，火焰锋面演化更稳定，尖锐的全切半圆形障碍物对火焰锋面湍流化的作用更明显，加速更快。半圆形障碍物管道内火焰过渡平缓，传播最慢。本研究可为燃爆安全防护和燃烧器设计提供实验支持。

摘要：热颗粒点燃建筑保温材料是导致城市-森林火灾发生的重要潜在途径，热颗粒从产生位置输运至燃料床通常被赋予一定的初始速度，目前研究尚未关注高速状态下热颗粒冲击点燃建筑保温材料的点燃现象和点火规律。本研究设计了热颗粒的加速点火实验装置，研究了13 m/s速度下8～16 mm粒径热颗粒在不同温度下的点火过程。观察到了嵌入点火和接触闪火等点火现象，发现表面嵌入具有更高的点火危险性，容易引发火焰的加速传播。此外，还发现颗粒的嵌入规律与颗粒温度密切相关，得到不同粒径下高速热颗粒的点火概率分布规律。本项研究对于理解高速热颗粒的点火过程具有重要的科学指导。

摘要：本研究采用实验与模拟相结合方法，分析了生物质中木质素与主要含氮成分共热解过程中相互作用及热解油中含氮产物分布。实验结果表明，谷氨酸单独热解时，产物含氮化合物可高达97%；共热解时，产物中含氮化合物降低至10%；高温时，香兰素促进谷氨酸脱羧反应，提升吡咯烷酮产率。模拟结果表明，谷氨酸分别与香兰素热解中间产物愈创木酚、邻亚甲基苯醌之间发生的脱水缩合及美拉德反应为最佳反应路径，且两者存在一定竞争关系。

摘要：新疆高碱煤强结渣沾污特性是影响其大规模燃烧发电的瓶颈问题。本研究基于CO₂溶于水形成的碳酸可有效脱除煤中水不溶碱金属碱土金属的原理，提出以热烟气为CO₂来源的高碱煤热烟气强化水洗脱碱方法。通过对多种典型新疆高碱煤的实验研究发现，Na的脱除率达到90%以上，Ca的脱除率达到45%，显著优于普通水洗对Na和Ca的脱除效果。洗后煤灰的碱酸比显著降低，灰熔点提高了150?C左右，大部分煤的结渣沾污倾向从严重结渣变为了中等结渣，或从中等结渣变为了不结渣。所以，热烟气强化水洗对高碱煤脱碱及抑制其燃烧过程的结渣沾污具有明显效果。另外，本方法简单可行，而且为电厂烟气（CO₂）提供了一条新的资源化利用途径，具有明显的经济价值和社会意义。

摘要：基于开发的跨/超临界喷雾模型，本研究对跨/超临界低温液氮射流进行了大涡模拟。首先讨论了不同亚格子模型的影响；其次，不同工况下的射流动力学与热力学相互作用被分析。结果表明：不同亚格子模型对射流动力学的影响主要体现在射流远场区，这与射流热力学方面的差异不同。跨/超临界射流存在两个重要特征：一方面，固有的高密度梯度会阻碍射流的径向波动，延缓射流的分解；另一方面，跨临界射流特有的伪沸腾现象会抑制射流与环境流体的混合。跨临界射流中的隔热层会阻碍射流与环境流体之间的有效热交换；然而，局部的湍流–热力学相互作用会导致隔热层扭曲和弱化，这反过来会促进流体动力学不稳定性，从而加速所谓指状结构的拉伸和溶解。

摘要：含硼纳米流体燃料能量密度高，发展潜力大，但着火延迟、燃烧行为等基础燃烧特性研究的匮乏限制了该燃料在发动机上的实际应用。本文搭建了基于多元扩散平焰燃烧器的“飞滴法”实验平台，研究含硼(质量分数0～10%)乙醇液滴的着火及燃烧特性。发现添加硼颗粒降低了乙醇液滴的着火延迟时间，在1400 K下降幅可达约30%；添加硼颗粒会导致液滴微爆，且随温度升高，液滴微爆发生的时间更早。建立了包含纳米颗粒辐射吸收机制的单液滴燃烧模型，量化纳米颗粒辐射吸热对液滴初期燃烧速率的增幅，结果表明该机制不是纳米颗粒促进液滴燃烧的唯一主导因素。

摘要：预燃室可提高点燃式发动机效率并降低氮氧化物排放，但预燃室喷孔布置对于射流和燃烧的影响尚不明晰。本文基于Converge三维仿真软件建立并标定了数值模型以进行模拟研究。针对被动式窄喉道预燃室结构，探究了三种预燃室喷孔布置方案：双排孔PC-1、上排孔PC-2和下排孔PC-3不同的射流和燃烧特性。结果表明：单排孔结构在当量或稀燃下具有较高的预燃室压差及射流速度，且具有较高的燃烧放热率和更提前的燃烧相位，其中PC-2结构稍优。双排孔结构则仅过浓条件下有较高射流速度和最提前的燃烧相位。另外，PC-2自预燃室向外传热比例最低，说明耗散于预燃室内的热量最低，而PC-1结构的自预燃室向外传热比例最高。综上所述，单排孔预燃室尤其是PC-2在大部分应用场景下更宜被发动机采用。

摘要：在一台满足国六排放法规的四缸柴油机上采用甲醇/ICTL双燃料燃烧模式，实验研究了预喷策略耦合EGR对其在低负荷工况下燃烧稳定性的影响规律。结果表明：在研究工况下，相比于纯ICTL燃烧模式，甲醇替代率为15.2%时，SOOT和NO_x的降幅分别为66.3%和33.5%，但COV （p）接近5%的上限标准，燃烧稳定性变差，限制了甲醇替代率的进一步提高；较早的预喷正时（-19?CA）有助于改善甲醇混合气活性，降低SOOT排放，但NO_x排放量会增高，过早的预喷正时（超过-29?CA）能够进一步降低SOOT排放，而NO_x排放量基本保持不变，但COV （p）超过25%；增加预喷油量会降低SOOT排放量，但NO_x排放量增高，当预喷油量为2.1mg/cyc时，COV （p）为15.2%；提高EGR率，能够有效降低NO_x排放量，并提高燃烧稳定性，当EGR率提高至35%时，COV （p）为2.99%。