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错流板翅式换热器分布参数模型构建和优化研究

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西安交通大学学报 2022年第10期56卷 81-90页

作者：李科文键厉彦忠 Andrea DIANI 西安交通大学能源与动力工程学院西安710049 Department of Industrial Engineering University of Padova35131PadovaItaly

为了研究多股流错流板翅式换热器的流动换热性能,基于MATLAB编程,考虑隔板中轴向和横向导热效应,构建了错流板翅式换热器的三维分布参数模型,程序模拟结果和热动实验台三股流板翅式换热器的实验结果的吻合程度良好。分析了错流板翅式换... 详细信息

为了研究多股流错流板翅式换热器的流动换热性能,基于MATLAB编程,考虑隔板中轴向和横向导热效应,构建了错流板翅式换热器的三维分布参数模型,程序模拟结果和热动实验台三股流板翅式换热器的实验结果的吻合程度良好。分析了错流板翅式换热器整体结构参数和工况参数对换热量和泵功消耗的影响。结果表明,针对所研究的三股流错流换热器,单位泵功换热量存在极值,它先随着A流体(大流量冷流体)流量的增加而增加,当A流体流量增加至1300kg/h时,又随着A流体流量的增加而减少。对换热器设置4种不同xy面(底面)投影面积分别进行分析,结果表明,维持xy面投影面积不变而变化换热器一边长度,换热量基本不发生变化,但是当换热器y边长度(A流体流动方向长度)为0.15~0.20m时,泵功消耗最低,单位泵功换热量最大。该研究可为错流板翅式换热器的优化工况选择和高效紧凑设计提供理论指导。

关键词：板翅换热器错流分布参数模型换热量泵功

耦合蒸气冷却屏的真空多层绝热结构对液氢储罐自增压过程的影响机制研究

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化工学报 2023年第9期74卷 3786-3796页

作者：李科文键忻碧平西安交通大学能源与动力工程学院陕西西安710049

基于MATLAB,构建了一种考虑氢储罐真空多层绝热结构、蒸气冷却屏和内部流体域的瞬态仿真模型。引入了无量纲的蒸气消耗因子η_(c)、休眠期延长因子η_(s)和单位因子η,η_(c)代表冷却屏在储存全周期蒸气的消耗量,η_(s)代表采用冷却屏... 详细信息

基于MATLAB,构建了一种考虑氢储罐真空多层绝热结构、蒸气冷却屏和内部流体域的瞬态仿真模型。引入了无量纲的蒸气消耗因子η_(c)、休眠期延长因子η_(s)和单位因子η,η_(c)代表冷却屏在储存全周期蒸气的消耗量,η_(s)代表采用冷却屏时休眠期相对于未采用时休眠期的延长量,η是η_(s)与η_(c)的比值,代表冷却屏屏蔽漏热的能力。研究了冷却屏的无量纲位置、η_(c)、流量和开启时刻对η_(s)和η的影响。结果表明,在冷却屏开启时段不变时,使得η_(s)最大化的冷却屏最佳位置是0.622;当冷却屏位置是0.622,η_(c)从0.0640降至0.0128,η增大34.7%,但是当冷却屏的设置偏离最佳位置越远,降低η_(c)使得η增大的幅度越小;固定η_(c)和蒸气冷却屏的开启时长,η_(s)随着开启时刻的推迟先增大后减小,当冷却屏的位置是0.622,使η_(s)最大的开启时刻是第23.26天。

关键词：模型传热氢真空多层绝热蒸气冷却屏

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立式径向流吸附器吸附性能评价指标分析

华中科技大学学报（自然科学版） 2022年第2期50卷 13-18页

作者：徐攀李山峰文键厉彦忠西安交通大学能源与动力工程学院陕西西安710049 北京航天试验技术研究所北京100074

针对立式径向流吸附器缺乏合适的吸附性能评价指标和计算公式的问题,采用计算流体动力学(CFD)技术和Kriging响应面,研究了操作和结构参数对吸附层流动均匀性和吸附时间的影响规律,对比了各种吸附性能指标之间的定量关系.结果表明:H2O的... 详细信息

针对立式径向流吸附器缺乏合适的吸附性能评价指标和计算公式的问题,采用计算流体动力学(CFD)技术和Kriging响应面,研究了操作和结构参数对吸附层流动均匀性和吸附时间的影响规律,对比了各种吸附性能指标之间的定量关系.结果表明:H2O的主要吸附区域在吸附层下侧,CO_(2)的主要吸附区域和穿透区域由吸附层下侧逐渐转移到吸附层上侧.影响流动均匀性的主要参数为中心流道直径和吸附层长度,而影响吸附时间的主要参数为分子筛层厚度和运行流量,流动均匀性不能完全反映吸附器的吸附性能.根据Kriging响应面上的数据,拟合得到了吸附时间的计算关联式,关联式拟合度为99.1%,为立式径向流吸附器的设计与制造提供了理论参考.

关键词：立式径向流吸附器计算流体动力学(CFD) Kriging响应面吸附性能拟合关联式

缠绕管式换热器壳程高黏度流体流动及换热性能强化研究

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高校化学工程学报 2022年第5期36卷 639-646页

作者：段旭东文键王斯民西安交通大学化学工程与技术学院陕西西安710049 西安交通大学能源与动力工程学院陕西西安710049

为解决高黏度介质在缠绕管式换热器等紧凑型换热器中换热效率较低的问题,提出了一种新型扰流元件,流体在壳程管束间的流动形式为多圆柱扰流,此扰流元件可影响管束形成的尾流场,改变流体在壳程的流动形态,进而增强高黏度流体的综合换热... 详细信息

为解决高黏度介质在缠绕管式换热器等紧凑型换热器中换热效率较低的问题,提出了一种新型扰流元件,流体在壳程管束间的流动形式为多圆柱扰流,此扰流元件可影响管束形成的尾流场,改变流体在壳程的流动形态,进而增强高黏度流体的综合换热性能。通过数值模拟方法计算得到新型结构壳侧努塞尔数相比于传统结构可提高5.1%~8.4%,摩擦因子升高1.3%~3.3%,综合换热性能可提高4.6%~5.2%,并进一步研究了扰流元件各结构对目标参数的影响。以上研究对改善高黏度介质在缠绕管换热器内的流动及换热性能提供理论依据,拓宽了紧凑式换热器的应用范围,使得高黏度介质在紧凑式换热器中同样可以达到理想的换热效果。

关键词：缠绕管式换热器高黏性流体强化传热涡流

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液氢中固空枝晶生长凝固定量相场法研究

西安交通大学学报 2023年第5期57卷 128-135页

作者：李超龙文键王磊厉彦忠雷刚屠基元西安交通大学能源与动力工程学院西安710049 航天低温推进剂技术国家重点实验室北京100028 皇家墨尔本理工大学工学院澳大利亚墨尔本VIC 3083 清华大学核能与新能源技术研究院北京100084

为探究固空形成过程中枝晶微结构演化和氧溶质非均匀分布规律,建立了描述固空枝晶生长凝固过程中枝晶形态演化和氧溶质分布的定量相场模型(QPFM),应用该模型对连续冷却条件下的固空单枝晶和多枝晶生长行为特性进行了研究,选择了两条特... 详细信息

为探究固空形成过程中枝晶微结构演化和氧溶质非均匀分布规律,建立了描述固空枝晶生长凝固过程中枝晶形态演化和氧溶质分布的定量相场模型(QPFM),应用该模型对连续冷却条件下的固空单枝晶和多枝晶生长行为特性进行了研究,选择了两条特殊位置曲线定量表述氧溶质分布规律。结果表明:枝晶形态随初始过冷度增大而变得复杂,二次枝晶臂更为发达;氧溶质质量分数呈现枝晶内部贫氧外部富氧的分布特征,沿一次枝晶臂和二次枝晶臂的轴线形成了氧溶质质量分数较低的脊柱;多枝晶的相互作用破环了枝晶的对称形态;连续冷却条件下,固空枝晶二次枝晶臂随时间增长逐渐粗化、融合,固相率和最大氧溶质质量分数分别持续增长到最大值0.9111和0.8406;枝晶之间的间隙阻碍了氧溶质的扩散,使得氧溶质质量分数由单枝晶时的0.402升至多枝晶时的0.668。研究可为液氢系统的安全使用提供理论指导。

关键词：固空枝晶定量相场法氧溶质分布形态演化

固空枝晶微结构生长演化非等温定量相场模拟研究

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西安交通大学学报 2023年第8期57卷 46-54页

作者：李超龙文键王磊雷刚陈强屠基元西安交通大学能源与动力工程学院西安710049 航天低温推进剂技术国家重点实验室北京100028 皇家墨尔本理工大学工学院澳大利亚墨尔本3083 清华大学核能与新能源技术研究院北京100084

为了探究热-溶质耦合驱动下固空枝晶生长演化和氧溶质分布规律,建立了非等温定量相场模型,应用该模型研究了不同过冷度及边界热流条件下固空枝晶的形态演化、生长速度、氧溶质分布。结果表明:相比等温模拟,考虑凝固潜热的非等温模拟可... 详细信息

为了探究热-溶质耦合驱动下固空枝晶生长演化和氧溶质分布规律,建立了非等温定量相场模型,应用该模型研究了不同过冷度及边界热流条件下固空枝晶的形态演化、生长速度、氧溶质分布。结果表明:相比等温模拟,考虑凝固潜热的非等温模拟可以更真实再现固空枝晶的生长过程,氧质量分数峰值相比等温模拟减少了8.5%~14.6%;枝晶的生长速度、最大氧质量分数和初始过冷度呈现正相关性,初始过冷度为4 K时,固液糊状区氧质量分数最大可达到0.401;边界热流的存在可显著改变计算域温度分布进而影响固空枝晶的生长模式;热输入减缓了枝晶的生长,而热提取使枝晶臂生长得更为繁盛粗壮,热提取、热输入条件下的固相率分别是无边界热流时的138%、69%,最大氧质量分数分别是无边界热流时的146%、94%。该研究可增进对液氢中固空枝晶生长行为的理解,为液氢系统的安全使用提供一定的理论指导。

关键词：固空枝晶非等温相场形态演化液氢

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液氢中空气溶解度预测及氮—氧存在模式研究

西安交通大学学报 2023年第4期57卷 162-170页

作者：梁鸽王磊上官石雷刚陈强文键厉彦忠西安交通大学制冷与低温工程系西安710049 航天低温推进剂技术国家重点实验室北京100028

为探析空气在液氢中的溶解极限及氮氧分子的存在模式,采用正规溶液模型(SH模型)和改进的正规溶液模型(MSH模型)对空气在液氢中的溶解规律开展了理论预示。为解决溶解度参数在靠近临界温度附近取值不合理的问题,提出一种新型溶解度参数... 详细信息

为探析空气在液氢中的溶解极限及氮氧分子的存在模式,采用正规溶液模型(SH模型)和改进的正规溶液模型(MSH模型)对空气在液氢中的溶解规律开展了理论预示。为解决溶解度参数在靠近临界温度附近取值不合理的问题,提出一种新型溶解度参数求解方法,实现了SH模型在18.0~32.5 K液氢温区空气溶解规律的准确预测。基于实验数据的对比修正,提出了适用于预测液氢中气体溶解规律的MSH模型。结果发现:氮气、氧气、二氧化碳、水在液氢中的溶解度分别为10^(-8)、10^(-12)、10^(-51)、10^(-89)摩尔分数量级,差异极大。空气在液氢中的溶解规律与存在模式随着空气量的增大而存在3种不同形态:完全溶解的氮、氧分子;氮气完全溶解而部分氧分子结晶析出;氮、氧均部分结晶析出,且固空颗粒中的氮氧比例逐渐接近空气中比例。研究应可为液氢系统的安全设计提供理论指导。

关键词：液氢固空溶解度预测模型

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沉浸式换热器超声强化传热影响因素

化工进展 2022年第1期41卷 40-51页

作者：林伟翔苏港川陈强文键 AKRAPHON Janon 王斯民西安交通大学化学工程与技术学院陕西西安710049 中石化炼化工程集团洛阳技术研发中心河南洛阳471003 西安交通大学能源与动力工程学院陕西西安710049 孔敬大学工程学院机械工程系泰国孔敬40002

以沉浸式换热器为研究对象,通过壁面加载超声波,比较了超声波振幅、换热器入口流速和管外压力对超声波效应及强化传热效果的影响。结果表明:超声波振幅由20μm增大至35μm时,表面对流传热系数增幅由15.67%增至26.71%;管外压力由0.1MPa... 详细信息

以沉浸式换热器为研究对象,通过壁面加载超声波,比较了超声波振幅、换热器入口流速和管外压力对超声波效应及强化传热效果的影响。结果表明:超声波振幅由20μm增大至35μm时,表面对流传热系数增幅由15.67%增至26.71%;管外压力由0.1MPa增大至1.0MPa时,表面对流传热系数增幅由20.95%增至48.43%;入口流速由1.0m/s降低至0.05m/s时,表面对流传热系数增幅由1.76%增至39.01%。增大超声波振幅、环境压力和减小介质流速均能增强超声波声流现象和空化效应,有效提高超声波强化传热效果;高压环境会使同振幅、同频率超声振动作用下声功率呈指数增长,高流速会降低流体介质的声能密度,两种情况都需要匹配合适的超声波以保证强化传热最佳效果。

关键词：强化传热沉浸式换热器超声波多相流

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液氢储罐蒸气冷却屏多层绝热性能分析

化学工程 2023年第10期51卷 42-47,52页

作者：忻碧平文键李科陈强王斯民西安交通大学能源与动力工程学院陕西西安710049 西安交通大学化学工程与技术学院陕西西安710049 中石化炼化工程集团洛阳技术研发中心河南洛阳471003

针对液氢存储时由于与环境温差大而导致的漏热较大的问题,建立耦合蒸气冷却屏的多层绝热结构的传热模型,同时引入氢仲正转化进一步降低液氢储罐漏热,采用MATLAB自编程方法,分析多层绝热结构、仲正转化、蒸气冷却屏个数及排列方式对绝热... 详细信息

针对液氢存储时由于与环境温差大而导致的漏热较大的问题,建立耦合蒸气冷却屏的多层绝热结构的传热模型,同时引入氢仲正转化进一步降低液氢储罐漏热,采用MATLAB自编程方法,分析多层绝热结构、仲正转化、蒸气冷却屏个数及排列方式对绝热结构性能的影响。研究结果表明:单个蒸气冷却屏的加入使多层绝热性能得到大幅提升,净热流密度最多下降61.3%,最佳屏位出现在绝热结构中心附近;氢仲正转化的加入能够使结构的绝热性能进一步提升,净热流密度最多下降11.1%;串联型蒸气冷却屏的绝热性能明显优于并联型蒸气冷却屏;当蒸气冷却屏数量由1增加至3时,净热流密度分别降低22.8%和10.9%。研究结果可为液氢储罐耦合蒸气冷却屏的多层绝热结构的设计和优化提供理论参考。

关键词：蒸气冷却屏仲正转化液氢多层绝热