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碳氢燃料固体氧化物燃料电池的多场耦合模型与热应力分析

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燃烧科学与技术 2023年第2期29卷 243-252页

作者：蔡伟强袁金良郑青榕尹自斌裴玉尧张中刚集美大学轮机工程学院厦门361021 福建省船舶与海洋工程重点实验室厦门361021 宁波大学海运学院宁波315832

为研究以碳氢化合物为燃料的镍基阳极固体氧化物燃料电池(SOFC)中复杂的多物理场传递过程,以某实际生产的SOFC为原型,基于有限元法分别建立了顺流和逆流两种不同进气方式的多物理场三维模型.分析了典型工况下电极化学反应、多组分传质... 详细信息

为研究以碳氢化合物为燃料的镍基阳极固体氧化物燃料电池(SOFC)中复杂的多物理场传递过程,以某实际生产的SOFC为原型,基于有限元法分别建立了顺流和逆流两种不同进气方式的多物理场三维模型.分析了典型工况下电极化学反应、多组分传质、传热过程的耦合特性,并给出了热应力分布.结果表明,SOFC的温度分布趋势受工作电压的影响较大,且同电压下逆流方式电池内的最大温差低于顺流方式;气体流向配置会影响SOFC内部化学反应速率,且顺流时反应速率分布得更为均匀;甲烷裂解反应受到抑制,最大反应速率仅为9.97×10-^(4)mol/(m^(3)·s),积碳活性远远小于1;从电解质层到阴极层,会发生应力突变,应力值从32 MPa骤升至294 MPa.

关键词：碳氢燃料固体氧化物燃料电池化学反应动力学固体力学数值分析

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高熵硫化物太阳能催化生物质多糖选择性转化

科学通报 2023年第8期68卷 856-858页

作者：徐怡雪王丽叶立群三峡大学材料与化工学院宜昌443002 东南大学化学化工学院南京211189

一氧化碳(CO)作为合成气的主要成分,也是合成基本有机化学品和中间体的重要原料之一[1].大多数基础化合物,如碳氢化合物、塑料单体和表面活性剂都可以通过CO获得.传统上,CO是通过煤和甲烷的蒸汽重整产生的,过程复杂且生产成本较高.因此... 详细信息

一氧化碳(CO)作为合成气的主要成分,也是合成基本有机化学品和中间体的重要原料之一[1].大多数基础化合物,如碳氢化合物、塑料单体和表面活性剂都可以通过CO获得.传统上,CO是通过煤和甲烷的蒸汽重整产生的,过程复杂且生产成本较高.因此,探索低成本、低能耗、可持续生产CO的新方法具有重要意义.生物质因其资源丰富(每年超过1700亿吨生物质总产量)、应用广泛和可持续性被视为主要的可再生碳基资源[2].此外,生物质可以转化为碳氢燃料和其他增值化学品,是石油原料的潜在替代品[3].然而,生物质聚合物的复杂组成导致产物选择性较差.目前的研究主要集中在糠醛、甘油、葡萄糖等小分子量生物质转化成以氢,甲烷和呋喃为主导的产物.

关键词：蒸汽重整可持续生产生物质转化合成气产物选择性碳氢燃料低能耗替代品

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碳氢燃料超燃冲压发动机热非平衡效应研究

航空学报 2023年

作者：吴忧陈兵杨庆春徐旭北京航空航天大学宇航学院

高超声速流动往往伴随着热化学非平衡效应，而热化学非平衡效应会对高超声速推进系统内的流动、燃烧带来一系列影响。本文采用双温度热化学非平衡模型以及热力学平衡模型，对飞行条件为Mach 10、高度29 km的煤油燃料超燃冲压发动机进行... 详细信息

高超声速流动往往伴随着热化学非平衡效应，而热化学非平衡效应会对高超声速推进系统内的流动、燃烧带来一系列影响。本文采用双温度热化学非平衡模型以及热力学平衡模型，对飞行条件为Mach 10、高度29 km的煤油燃料超燃冲压发动机进行数值模拟，研究了热非平衡效应对发动机流动、燃烧及性能的影响。结果表明，热非平衡效应可以通过改变斜激波角度进而影响发动机内的流场结构和掺混效率。尽管热非平衡态下燃烧室前部的平衡温度较高，可以促进凹腔上游的燃烧，但对于凹腔后部的燃烧，热非平衡效应降低了热释放率峰值及燃烧效率。振动非平衡还可以使尾喷管内的压力降低。总的来说，热非平衡效应降低了Mach 10煤油燃料发动机的性能。

关键词：高超声速流动热化学非平衡双温度模型超燃冲压发动机碳氢燃料

可压缩管流中真实气体效应的理论分析与数值模拟

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推进技术 2022年第7期43卷 271-280页

作者：靳一超程迪吴坤范学军中国科学院力学研究所高温气体动力学国家重点实验室北京100190 中国科学院大学工程科学学院北京100049 中国航天空气动力技术研究院北京100074

为研究超燃冲压发动机内复杂碳氢燃料的可压缩流动特性及相关影响因素,在典型工况条件下讨论了可压缩流动中真实气体效应的影响。基于平衡热力学理论,从理论层面明确了气体动力学基础导数(Γ)对可压缩流动的关键影响。同时,考察了多种... 详细信息

为研究超燃冲压发动机内复杂碳氢燃料的可压缩流动特性及相关影响因素,在典型工况条件下讨论了可压缩流动中真实气体效应的影响。基于平衡热力学理论,从理论层面明确了气体动力学基础导数(Γ)对可压缩流动的关键影响。同时,考察了多种碳氢燃料在临界点附近的特性,发现随着碳氢燃料分子结构复杂度的增加,Γ极小值降低,甚至出现为负值的情况,且该区域主要集中在近临界点的饱和蒸汽线附近。基于立方型状态方程对超临界条件下的二维超声速膨胀管流进行了数值模拟,证实了超声速扩张管流中马赫数下降的现象主要由声速随密度的非线性变化主导。进一步的参数化研究表明,随着入口压力增加或温度降低,管道内的压强、温度变化路径在p-T相图上将靠近饱和蒸汽线,这将导致更为显著的非经典气体动力学现象。

关键词：超临界流体碳氢燃料真实气体效应可压缩流动数值模拟

光催化CO_(2)还原制碳氢燃料系统优化策略研究

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化工学报 2023年第1期74卷 29-44页

作者：王峰张顺鑫余方博刘亚郭烈锦西安交通大学动力工程多相流国家重点实验室陕西西安710049

光催化CO_(2)还原制碳氢燃料技术由太阳能直接驱动,将CO_(2)转化为可直接利用的化学品,是助力碳达峰、碳中和的变革性技术。该技术的高效、低成本运行受光吸收利用、光催化剂形貌结构、界面催化反应及传质等因素影响,其内部能质传输是... 详细信息

光催化CO_(2)还原制碳氢燃料技术由太阳能直接驱动,将CO_(2)转化为可直接利用的化学品,是助力碳达峰、碳中和的变革性技术。该技术的高效、低成本运行受光吸收利用、光催化剂形貌结构、界面催化反应及传质等因素影响,其内部能质传输是多时空尺度、多物理场耦合的复杂过程,需要从理论和应用两方面结合多个学科展开系统研究。梳理了光催化CO_(2)还原基本理论及国内外研究进展,并针对技术瓶颈从光吸收拓展与利用、光生载流子分离强化、氧化/还原半反应优化及传质强化四个优化策略指出了该技术发展方向,探讨了该技术全流程能量传递和物质转化之间的耦合匹配准则,为降低反应能耗、促进性能及产率提升甚至未来工业化大规模太阳能驱动CO_(2)还原应用铺垫道路。

关键词：太阳能光催化 CO_(2)还原碳氢燃料优化策略

高能量密度碳氢燃料JP-10的热裂解研究进展

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石油学报（石油加工） 2022年第4期38卷 980-994页

作者：白帅帅糜基姚晨阳蒋朋飞郭永胜方文军浙江大学化学系浙江杭州310058

挂式-四氢双环戊二烯(JP-10)具有能量密度高、冰点低、热稳定性好等优点,是一种应用前景良好的碳氢燃料。碳氢燃料热裂解过程的研究对于优化燃料性能具有重要的指导意义。基于JP-10热裂解的研究进展,总结了裂解实验装置、反应条件以及... 详细信息

挂式-四氢双环戊二烯(JP-10)具有能量密度高、冰点低、热稳定性好等优点,是一种应用前景良好的碳氢燃料。碳氢燃料热裂解过程的研究对于优化燃料性能具有重要的指导意义。基于JP-10热裂解的研究进展,总结了裂解实验装置、反应条件以及产物分析方法,阐释了包括引发反应及主要反应路径的裂解机理,并综述了3类动力学模型。对于JP-10裂解研究的未来发展,提出如下建议:系统研究压力和停留时间对裂解过程的影响,开发新方法实现对真实压力条件下裂解产物的原位在线检测;基于实验数据和物性参数,优化分子模拟力场,从原子学层面为裂解机理及动力学模型提供指导;基于产物分布和量化计算,建立具有应用范围宽、算法精度高的裂解模型。期望能够为高能量密度碳氢燃料的技术发展和高超声速飞行器的性能改进提供参考。

关键词： JP-10 碳氢燃料热裂解裂解机理动力学模型

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碳氢燃料在波纹管内的超临界裂解传热特性

推进技术 2019年第1期40卷 95-106页

作者：黄世璋朱强华高效伟大连理工大学航空航天学院辽宁大连116024

为了探究波纹型冷却通道在碳氢燃料发动机再生冷却系统中的适用性,基于一步总包反应机理,建立了同时考虑碳氢燃料流动传热、裂解吸热与固体导热的耦合算法,在此基础上对超临界压力下正癸烷在波纹管内的流动传热和裂解吸热现象展开数值... 详细信息

为了探究波纹型冷却通道在碳氢燃料发动机再生冷却系统中的适用性,基于一步总包反应机理,建立了同时考虑碳氢燃料流动传热、裂解吸热与固体导热的耦合算法,在此基础上对超临界压力下正癸烷在波纹管内的流动传热和裂解吸热现象展开数值研究。通过与光滑管进行对比,分析了波纹结构对管内热量传递、组分输运和裂解反应吸热的影响,进一步研究了不同壁面热流下的裂解传热特性。研究表明:波纹管可以显著提升燃料的换热能力,平均对流换热系数最高可提升40%;波纹管内的速度波动使流场内温度和组分浓度在径向的分布更加均匀,同时降低了正癸烷的裂解吸热率和平均裂解转化率;壁面热流在0.8MW/m2～1.0MW/m2变化时,正癸烷裂解吸热率和综合换热性能随热流的增加而增加。

关键词：超临界压力碳氢燃料波纹管热解主动再生冷却

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实际气体效应对碳氢燃料点火延迟时间的影响

西安交通大学学报 2022年第1期56卷 1-11页

作者：梁兴雨廖寄语朱仕皓沈位王昆天津大学内燃机燃烧学国家重点实验室天津300072

当前商业软件或数值计算方法基于理想气体假设对点火延迟时间等碳氢燃料基础燃烧数据进行仿真模拟,在高压或超临界压力条件下可能导致较大误差。本研究依托开源化学反应动力学计算平台Cantera,构建了考虑实际气体效应的模拟仿真框架,进... 详细信息

当前商业软件或数值计算方法基于理想气体假设对点火延迟时间等碳氢燃料基础燃烧数据进行仿真模拟,在高压或超临界压力条件下可能导致较大误差。本研究依托开源化学反应动力学计算平台Cantera,构建了考虑实际气体效应的模拟仿真框架,进行了平台可靠性的验证,计算了丙烷、正庚烷和正十二烷等典型燃料体系在不同压力条件下的点火延迟时间,分析了实际气体效应对碳氢燃料点火延迟时间的影响。结果表明:高压条件下实际气体效应对点火延迟时间的影响较为显著,仿真计算中须考虑该效应以获得准确结果;燃料物化性质的非理想性随压力升高而增加,采用实际气体状态方程可以恰当地描述该变化特征;点火延迟时间的非理想性偏差与压力、温度存在较明显关联,且随着压力升高而单调增大,与温度的关联则呈现非单调性,在负温度系数区域出现峰值。本研究可为碳氢燃料在热力设备高压或超临界压力条件下燃烧反应过程的高精度模拟提供理论支持。

关键词：气体状态方程碳氢燃料点火延迟时间燃烧反应动力学

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逆流管翅式空气预冷器及其流动换热计算方法

推进技术 2023年第8期44卷 147-154页

作者：陈志霄陆阳范学军中国科学院力学研究所高温气体动力学国家重点实验室北京100190 中国科学院大学工程科学学院北京100049

空气预冷器用于在短时间内将高温来流空气高效冷却,是预冷吸气式空天发动机的核心部件。提出一种逆流管翅式的空气预冷器换热构型,经过与SABRE预冷器构型的比较,说明该新构型的预冷器可实现性更好。针对该构型,基于换热单元内部热通量... 详细信息

空气预冷器用于在短时间内将高温来流空气高效冷却,是预冷吸气式空天发动机的核心部件。提出一种逆流管翅式的空气预冷器换热构型,经过与SABRE预冷器构型的比较,说明该新构型的预冷器可实现性更好。针对该构型,基于换热单元内部热通量平衡的基本假设,提出了一套流动及冷却效果的计算评估方法,考虑了冷却剂以及空气的流动摩擦损失。为解决以复杂碳氢燃料为冷却工质的空气预冷器设计难题,高温空气物性的计算使用NASA的物性拟合公式,碳氢燃料冷却工质及其裂解产物的物性计算,采用组分替代模型结合SUPERTRAPP物性计算子程序来实现;当燃料达到裂解温度后,采用燃料裂解机理计算更新燃料组分。此外为验证计算模型及程序的准确性,利用CFD软件与该程序进行同工况的比较计算,初步验证了该方法的可靠性,且采用本方法进行考虑碳氢燃料裂解的空气预冷器的典型工况计算,时间不超过30min。这一兼顾准确性和运算效率的新方法可用于逆流管翅式空气预冷器性能的快速评估。

关键词：空气预冷器管翅逆流式碳氢燃料裂解