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Internal heat transfer coefficients in microporous media with rarefaction effects

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Science china(Technological Sciences) 2012年第10期55卷 2869-2876页

作者： XU RuiNa HUANG YuLi jiang peixue WANG BuXuan key laboratory for {2. Science and power Engineering of ministry of education of china Beijing 100084China beijing key {2. of CO_(2.Utilization and Reduction Technology Beijing 100084China department of thermal Engineering Tsinghua UniversityBeijing 100084China

The internal heat transfer of different gases in microporous media was investigated experimentally and *** experimental test section had a sintered bronze porous media with average particle diameters from 11 μm to 2.5 μ*** Knudsen numbers at the average inlet and outlet pressures of each test section varied from 0.0006 to 0.13 with porosities from 0.16 to *** particle-to-fluid heat transfer coefficients of air,CO 2.and helium in the microporous media were determined *** results show that the Nusselt numbers for the internal heat transfer in the microporous media decrease with decreasing the particle diameter,d p,and increasing Knudsen number for the same Reynolds *** Kn>0.01,the rarefaction affects the internal heat transfer in the microporous media.A Nusselt number correlation was developed that includes the influence of *** computational fluid dynamics(CFD) numerical simulation was carried out to do the pore scale simulation of internal heat transfer in the microporous media considering the rarefaction *** scale three-dimensional numerical simulations were also used to predict the particle-to-fluid heat transfer *** numerical results without slip-flow and temperature jump effects for Kn<0.01 corresponded well with the experimental *** numerical results with slip-flow and temperature jump effects for 0.01

关键词： internal heat transfer coefficients microporous media rarefaction Knudsen number

Role of trapped liquid in flow boiling inside micro-porous structures:pore-scale visualization and heat transfer enhancement

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Science Bulletin 2021年第18期66卷 1885-1894,M0004页

作者： Haowei Hu peixue jiang Feng Huang Ruina Xu key laboratory for {2. Science and power Engineering of ministry of education Beijing Key Laboratory of CO_(2) Utilization and Reduction TechnologyDepartment of Energy and Power EngineeringTsinghua UniversityBeijing 100084China

Flow boiling is an important heat dissipation method for cooling high heat flux surfaces in many industrial *** heat transfer can be further enhanced by using porous media surfaces due to their high specific surface ***,although flow boiling in channels is well understood,the phasechange behavior with the additional capillary effect induced by the porous structures is not well understood,and the design of the porous structures is difficult to avoid dryout and over-temperature accidents.A pore-scale lab-on-a-chip method was used here to investigate the flow boiling heat transfer characteristics inside micro-porous *** flow patterns,captured in the two-phase region with a uniform pore-throat size of 30 lm,showed that liquid was trapped in the pore-throat structures as both dispersed liquid bridges and liquid ***,the liquid film was shown to be moving on the wet solid surface by laser-induced fluorescence and particle tracking.A theoretical analysis showed that the capillary pressure difference between adjacent liquid bridges could drive the liquid film flows,which helped maintain the coolant supply in the two-phase *** pore-throat parameters could be designed to enhance the capillary pressure difference with multiple throat sizes of 10–90 lm which would enhance the heat transfer 5%–10%with a 5%–2.%pressure drop *** research provides another method for improving the flow boiling heat transfer through the porous structure design besides changing the surface wettability.

关键词： Flow boiling Micro-porous structure Trapped liquid Liquid bridge Film flow Heat transfer enhancement

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基于移动边界法的超临界流体换热器动态模型

工程热物理学报 2022年第10期43卷 2603-2611页

作者：马小峰姜培学祝银海热科学与动力工程教育部重点实验室清华大学能源与动力工程系北京100084

本文建立了一种基于移动边界法的超临界介质的换热器动态仿真模型,并提出了全新的控制体划分方法。仿真测试结果表明新模型的稳定性和完整性良好。同时对模型进行了实验验证,结果表明换热段出口温度的误差范围为±1.5 K,相对误差为±3%... 详细信息

本文建立了一种基于移动边界法的超临界介质的换热器动态仿真模型,并提出了全新的控制体划分方法。仿真测试结果表明新模型的稳定性和完整性良好。同时对模型进行了实验验证,结果表明换热段出口温度的误差范围为±1.5 K,相对误差为±3%。本模型与常规的有限体积法模型相比具有精度高和仿真速度快的优势,为超临界换热器的动态仿真提供了新的建模方法。

关键词：超临界移动边界法动态仿真

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二氧化碳捕集与地热发电全链能流分析

天然气工业 2022年第4期42卷 130-138页

作者：张富珍胥蕊娜姜培学清华大学能源与动力工程系二氧化碳资源化利用与减排技术北京市重点实验室·清华大学热科学与动力工程教育部重点实验室·清华大学

以CO_(2.为工质的增强型地热发电系统(CO_(2.-EGS)拓展了CO_(2.封存汇的种类,同时其从干热岩中获得的热量还可补充因捕集、输运和封存消耗的能量,有效提高了项目的经济性。但多大程度上可填补CO_(2.捕集及输运的能耗是该技术规模化应用... 详细信息

以CO_(2.为工质的增强型地热发电系统(CO_(2.-EGS)拓展了CO_(2.封存汇的种类,同时其从干热岩中获得的热量还可补充因捕集、输运和封存消耗的能量,有效提高了项目的经济性。但多大程度上可填补CO_(2.捕集及输运的能耗是该技术规模化应用与发展过程中亟需解决的关键问题之一。为此,通过对CO_(2.捕集电站与地热发电全链系统的解构和耦合,在降低了全链系统某些参数的敏感性基础上,编制了全链优化软件。然后以某超临界燃煤电站为参考电站(热效率设为42.30%,净功为590.8 MW),对4种捕集方法(燃烧后捕集、加压富氧燃烧、化学链燃烧、分级气化)对应的全链系统进行了能流分析。结果表明:①对于中等温度的热储,化学链燃烧和分级气化法与CO_(2.-EGS结合后,全链系统的净输出可超过无CO_(2.捕集的参考电站,即CO_(2.-EGS的输出功可以弥补因捕集和输运造成的能量损失;②对于高温热储,CO_(2.-EGS的净输出可补偿加压富氧、化学链和分级气化法捕集和输运能耗。最后,基于全链能量梯级利用理念,结合CO_(2.膨胀发电的特点,提出了热量反哺的全链能量优化利用方法。结论认为:①全链能耗的主要差异体现在捕集过程,具体数值可达到数量级的差别;②压缩和输运及CO_(2.-EGS的单位能耗差异因捕集气的组分差异导致,数值上相差不大;③热量反哺理念显示了基于全链系统的能量优化利用优势,使系统的能量分配得到了优化,燃烧后捕集和分级气化两种捕集方案的指标得以提高。

关键词： CCUS 干热岩 CO_(2.-EGS 热量反哺全链能量优化燃烧后捕集加压富氧化学链分级气化

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基于低场核磁共振的煤粉动态吸附测量

化工学报 2020年第S2期71卷 195-200页

作者：陆韬杰胥蕊娜姜培学清华大学能源与动力工程系热科学与动力工程教育部重点实验室北京100084

煤层气的开发是我国非常规天然气开发的重要环节,与常规天然气不同的是煤层气中甲烷主要以吸附形式赋存在煤的一系列纳米孔中。甲烷在煤粉颗粒孔隙中吸附行为的动态过程对煤层气的开发具有重要意义。实现了一种基于低场核磁共振技术在... 详细信息

煤层气的开发是我国非常规天然气开发的重要环节,与常规天然气不同的是煤层气中甲烷主要以吸附形式赋存在煤的一系列纳米孔中。甲烷在煤粉颗粒孔隙中吸附行为的动态过程对煤层气的开发具有重要意义。实现了一种基于低场核磁共振技术在线测量煤粉吸附特性的实验方法,通过横向驰豫分布区别孔隙中含氢流体分布,定量表征游离气和吸附气含量。结果表明煤粉颗粒的甲烷吸附在核磁共振的横向弛豫图谱中呈现多峰分布,其中弛豫时间在0.1~1 ms的峰包含了纳米孔隙中甲烷含气量的信息。随着时间增加,甲烷气体逐渐转换为吸附态。通过不同压力下核磁共振的横向弛豫图谱,定量分析了甲烷在颗粒样品中随时间和压力变化的动态吸附过程,并得到了等温吸附曲线且符合Langmuir拟合模型。

关键词：吸附甲烷核磁共振横向弛豫纳米孔隙

燃料电池中气体循环可调型引射器建模与实验研究

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工程热物理学报 2023年第11期44卷 3060-3068页

作者：姜晓宇黄玉磊姜培学祝银海热科学与动力工程教育部重点实验室清华大学能源与动力工程系北京100084

将可调式引射器应用于燃料电池阳极气体循环系统可以适应变工况场景。本文基于准二维模型建立了含调节锥的引射器理论模型,可以预测引射器的主流和二次流流量。通过实验对模型进行验证,结果显示对主流和二次流流量的预测误差分别在在5%... 详细信息

将可调式引射器应用于燃料电池阳极气体循环系统可以适应变工况场景。本文基于准二维模型建立了含调节锥的引射器理论模型,可以预测引射器的主流和二次流流量。通过实验对模型进行验证,结果显示对主流和二次流流量的预测误差分别在在5%和2.%以内。探究了可调式引射器流量调控的影响机制,研究表明:调节锥通过调节主流和二次流流量来调控引射器性能;抛物线型调节锥在主流流量线性调控方面的性能较好。

关键词：引射器调节锥理论模型型线

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超声速气流中扩张孔横向射流冷却特性研究

工程热物理学报 2023年第10期44卷 2778-2785页

作者：叶林郭昊姜培学祝银海热科学与动力工程教育部重点实验室清华大学能源与动力工程系北京100084

考虑真实情况下孔内流动非均匀性,本文建立大腔供气下超声速离散孔气膜冷却模型,以马赫数为1.4工况下开展了单排圆柱孔和扩张扇形孔气膜冷却大涡模拟研究,对比分析不同孔型在不同吹风比时气膜有效度及流动掺混结构。结果表明,吹风比较小... 详细信息

考虑真实情况下孔内流动非均匀性,本文建立大腔供气下超声速离散孔气膜冷却模型,以马赫数为1.4工况下开展了单排圆柱孔和扩张扇形孔气膜冷却大涡模拟研究,对比分析不同孔型在不同吹风比时气膜有效度及流动掺混结构。结果表明,吹风比较小时,由于射流较弱的动量特性,孔出口附近不易出现显著分离吹飞,在超声速来流压迫作用下,近孔上游区域呈现较好的有效气膜特征,但沿下游发展过程,射流与主流掺混程度加剧;随着吹风比的提升,沿流向发展逐渐呈先升高后降低的变化规律。近壁处下洗涡对是影响超声速主流中离散孔气膜展向延伸效果不足的主要因素,射流受孔前诱导马蹄涡及中心对转涡诱导反向对转涡的共同耦合制约;展向扩张角能够有效增强离散孔气膜的展向铺展范围,但对提升气膜的流向延伸性效果不足。

关键词：超声速气膜大涡模拟气膜有效度扇形孔

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超临界压力CO2.直管内传热恶化抑制实验

清华大学学报（自然科学版） 2018年第12期58卷 1101-1106页

作者：王振川胥蕊娜熊超姜培学清华大学热科学与动力工程教育部重点实验室二氧化碳资源化利用与减排技术北京市重点实验室

为抑制浮升力导致的超临界压力流体传热恶化,该文采用光管内插螺旋结构,增强管内湍流发展,提高流体管内换热性能。对超临界压力CO2.竖直光管、内插螺旋管内对流换热进行了实验研究,比较了热流密度、进口Re、流动方向等因素对换热的影响... 详细信息

为抑制浮升力导致的超临界压力流体传热恶化,该文采用光管内插螺旋结构,增强管内湍流发展,提高流体管内换热性能。对超临界压力CO2.竖直光管、内插螺旋管内对流换热进行了实验研究,比较了热流密度、进口Re、流动方向等因素对换热的影响,讨论了内插螺旋结构对传热恶化现象的抑制作用。研究结果表明:由于浮升力传热恶化作用,流体在光管内向上流动壁温分布呈非线性变化趋势,壁温峰值区域随热流密度升高逐渐向入口区域移动;光管内插入螺旋结构可以有效抑制由浮升力产生的传热恶化作用,显著提高超临界压力CO2.内对流换热强度,内插螺旋结构管相对于光管可以提高对流换热系数约2.0%以上;超临界压力CO2.内插螺旋结构管内流动与换热时,在热流密度较高情况下,浮升力依然会对换热起到一定的恶化作用,流体向下流动时沿程对流换热系数略高于向上流动。

关键词：传热恶化抑制超临界压力CO2

燃料电池阳极排气系统引射增压循环方案实验研究

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工程热物理学报 2023年第9期44卷 2362-2368页

作者：张仁杰姜培学祝银海热科学与动力工程教育部重点实验室清华大学能源与动力工程系北京100084

阳极排气循环方式对燃料电池的性能有重大影响。本文提出了风机位于引射器二次流入口前和风机位于引射器混合流出口后等两种循环增压串联配置方案,搭建了引射器与风机联合实验系统,在不同风机频率下实验研究了二次流温度冷热态及风机位... 详细信息

阳极排气循环方式对燃料电池的性能有重大影响。本文提出了风机位于引射器二次流入口前和风机位于引射器混合流出口后等两种循环增压串联配置方案,搭建了引射器与风机联合实验系统,在不同风机频率下实验研究了二次流温度冷热态及风机位于前后的总体引射增压性能。结果表明,随着引射比的增大,引射器和风机的增压比均呈现减少趋势;风机频率越高,转速越快,增压比越大;热态工况下,由于二次流向主流传热,主流密度减小从而速度增大,引射比较小时相同引射比下增压比增大;当风机位于引射器混合流出口后时,风机全压更大,增压性能更强,最高增压可提高超过10%,风机在后的配置方案更佳。

关键词：燃料电池阳极排气循环风机变频实验研究串联配置方案