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气体润滑减阻研究综述

船舶力学 2024年第6期28卷 951-966页

作者：秦世杰季盛伍锐吴大转浙江大学能源工程学院杭州310027 浙江省清洁能源与碳中和重点实验室浙江嘉兴314031 上海船舶运输科学研究所有限公司上海200135 航运技术与安全国家重点实验室上海200135

在我国“碳达峰、碳中和”战略背景下,气体润滑减阻作为一种流动控制节能与降碳方法,可有效降低船舶航行阻力,对我国船舶及航运业的低碳发展意义重大。本文介绍了气体润滑减阻研究的国内外背景及意义,阐述了气体润滑减阻的定义及分类方... 详细信息

在我国“碳达峰、碳中和”战略背景下,气体润滑减阻作为一种流动控制节能与降碳方法,可有效降低船舶航行阻力,对我国船舶及航运业的低碳发展意义重大。本文介绍了气体润滑减阻研究的国内外背景及意义,阐述了气体润滑减阻的定义及分类方式,特别是提出了基于气液两相界面形态与减阻机理的离散气泡减阻和连续气层减阻分类方式,并在此基础上分别梳理了离散气泡减阻和连续气层减阻在减阻特性、减阻机理、两相流态及其影响因素等方面的进展情况,总结并展望了气体润滑减阻的研究现状和该领域的未来发展趋势。

关键词：气体润滑离散气泡连续气层减阻节能降碳船舶

面向不同应用场景的中国氨能制储运用全产业链碳足迹分析

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洁净煤技术 2024年第5期30卷 1-12页

作者：王明华陈泽宇王雯任磊刘建喆欧训民国家能源集团技术经济研究院北京100084 清华大学能源环境经济研究所北京100084

氨能是一种用途广泛、绿色低碳的潜在清洁能源,其在安全性、能量密度、储运便捷性等诸多方面与氢能相比具有一定优势。我国氨能在交通、电力等领域的应用尚处于起步阶段,相关碳足迹研究备受关注。重点对加氢站、氨燃料供给站、发电厂和... 详细信息

氨能是一种用途广泛、绿色低碳的潜在清洁能源,其在安全性、能量密度、储运便捷性等诸多方面与氢能相比具有一定优势。我国氨能在交通、电力等领域的应用尚处于起步阶段,相关碳足迹研究备受关注。重点对加氢站、氨燃料供给站、发电厂和化工厂等应用场景下的中国氨能全产业链进行分阶段的全生命周期碳足迹分析,并重点分析氨能用于交通燃料和电力掺烧场景的碳排放水平。结果表明:从不同技术路线看,所有场景下网电电解水制氢—HB(Haber-Bosch process,哈勃法)合成氨—液氨厢车运氨—网电裂解氨制氢路线的碳足迹水平最高,超过600 g/MJ(以CO_(2)当量计);风电电解水制氢—HB合成氨—管道输氨—光伏发电裂解氨制氢路线的碳足迹水平最低,低于40 g/MJ。从制储运用各阶段分开看,除风电电解水制氢-合成氨路线外,氨能生产阶段的碳排放占比最高。从影响因素看,制氢、合成氨和氨裂解制氢等各阶段的电力消耗水平及电力碳排放系数对氨能全产业链的碳足迹高低具有重要影响。从氨能具体应用的交通用能案例看,相对于传统石油基燃料,采用可再生电力进行制氢并生产的绿氨和采用碳捕捉技术的化石能源生产的蓝氨技术路线都具有大幅降低(80%以上)碳排放水平的优势。

关键词：氨能碳足迹应用场景碳中和低碳能源低碳燃料

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光解水制氢催化剂的掺杂改性

Chinese Journal of Catalysis 2024年第5期60卷 1-24页

作者：房文健严嘉玮韦之栋刘军营郭伟琦江治上官文峰上海交通大学燃烧与环境技术研究中心上海200240 上海交通大学智慧能源创新学院上海200240 江苏大学环境与安全工程学院江苏镇江212013 中国华能集团清洁能源技术研究院有限公司北京102209 扬州大学电气与能源动力工程学院江苏扬州225002

光催化分解水制氢,作为一种绿色、安全、高效且低成本的制氢技术,因其清洁性和巨大的发展潜力而受到广泛关注.尽管光催化分解水制氢在理论上具有显著优势,但在实际应用中仍面临捕光效率低、电荷分离难、表面反应速率慢以及光腐蚀等挑战... 详细信息

光催化分解水制氢,作为一种绿色、安全、高效且低成本的制氢技术,因其清洁性和巨大的发展潜力而受到广泛关注.尽管光催化分解水制氢在理论上具有显著优势,但在实际应用中仍面临捕光效率低、电荷分离难、表面反应速率慢以及光腐蚀等挑战.为解决上述问题并突破效率瓶颈,研究者们积极探索新的方法,如构建异质结、调控微观结构、引入助催化剂、掺杂和诱导缺陷等,以期提高光催化剂的性能.其中,光催化剂掺杂改性是研究热点之一.通过对光催化剂进行掺杂改性,可以有效调节其能带结构、光吸收性能以及电荷传输性能,进而提升光催化分解水制氢的效率.因此,对光催化剂掺杂在光催化分解水制氢中的作用机制和研究进展进行系统地梳理和总结,有助于深化对该领域的理解,具有重要意义.本文系统地介绍了近年来本课题组利用掺杂改性光催化剂提升光解水制氢性能的研究成果.首先,总结了光催化剂掺杂的合成方法和表征手段,并详细介绍了用于分析掺杂离子在催化剂中的分布及价态的原位表征方法.其次,以铋基复合氧化物为例,介绍了通过固溶法将稀土元素掺杂到铋基复合氧化物中,实现可见光下完全分解水,并探讨了掺杂对光催化剂能带结构的影响及作用机制.进一步,阐述了掺杂后铋基复合氧化物微观结构的变化,特别是暴露面、表面特性和缺陷态等对光生载流子分离与迁移的影响,归纳了掺杂诱导的结构变化与光催化分解水制氢性能之间的构效关系.此外,介绍了一种新颖的多局域梯度掺杂方法:利用离子扩散使预先储存掺杂离子的“纳米胶囊”持续、非均匀地释放入半导体材料中,诱导导带位置连续弯曲,从而在导带势能面内构建出多局域的势阱,从而延长了光生电子空穴对的寿命,为光生载流子提供了更多迁移至表面的通道,明显提高了光解水效率.最后,展望了光催化剂掺杂技术未来的研究方向:(1)通过对光催化分解水制氢中的析氢和析氧助催化剂进行掺杂改性,提高表面催化反应速率;(2)发展纳米催化剂上的非对称掺杂技术,在纳米颗粒内的特定区域或表面掺杂的精确调控,以提高光催化分解水制氢性能;(3)随着机器学习的进步,AI模型可以用于预测和优化掺杂条件,从而大幅减少实验量.综上,本文总结了掺杂在光催化分解水制氢研究中的研究进展,希望能为探索开发可见光光催化水分解的新型材料和提高能量转换效率提供参考和借鉴.

关键词：光催化水分解氢掺杂能带结构非对称掺杂

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非均质黏土地基单桩基础水平极限承载力研究

中国安全科学学报 2024年第2期34卷 185-191页

作者：高松林安晨刘畅齐博王春波马佳星中国石油大学(北京)安全与海洋工程学院北京102249 中海油能源发展股份有限公司清洁能源分公司天津300452

为减少海上风机长期受到风浪流等水平荷载的影响,利用ABAQUS软件建立非均质黏土单桩基础极限承载力有限元模型,利用温度作为虚拟变量以反映非均质黏性土抗剪强度随深度变化的关系,采用生死单元法进行地应力平衡,并比较有限元得到的水平... 详细信息

为减少海上风机长期受到风浪流等水平荷载的影响,利用ABAQUS软件建立非均质黏土单桩基础极限承载力有限元模型,利用温度作为虚拟变量以反映非均质黏性土抗剪强度随深度变化的关系,采用生死单元法进行地应力平衡,并比较有限元得到的水平荷载下单桩基础承载力变化结果与离心机试验结果,以验证其准确性。结合刚性桩与刚柔性桩水平极限荷载下土体失效模式,分析不同长径比、土体弹性模量系数、桩土摩擦因数等参数对单桩基础水平极限承载力影响。结果表明:桩体预埋深度增加后,桩体从刚性桩向刚柔性桩转变,土体破坏模式从楔形、旋转破坏转变为楔形、满流和旋转破坏。土体弹性模量系数对单桩基础水平极限承载力影响较小,长径比和桩土摩擦系数对单桩基础水平极限承载力有较大影响。

关键词：非均质黏土单桩基础水平极限承载力海上风机有限元模型

基于CESE方法的煤矿风井泄爆全过程模拟与消波增效研究

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煤炭科学技术 2024年第5期52卷 127-138页

作者：宋维宾孙玉宁王永龙王志明河南理工大学能源科学与工程学院河南焦作454003 煤炭安全生产与清洁高效利用省部共建协同创新中心河南焦作454003

为揭示煤矿风井泄爆过程、探寻增强泄爆效果方法,针对现行泄爆方法和多种改进泄爆方法,建立了系列全尺寸三维仿真模型,利用LS−DYNA软件的CESE求解器,进行了全过程流固耦合模拟分析。结果表明:现行防爆门在泄爆过程中会引发较强烈的反射... 详细信息

为揭示煤矿风井泄爆过程、探寻增强泄爆效果方法,针对现行泄爆方法和多种改进泄爆方法,建立了系列全尺寸三维仿真模型,利用LS−DYNA软件的CESE求解器,进行了全过程流固耦合模拟分析。结果表明:现行防爆门在泄爆过程中会引发较强烈的反射冲击波且不能快速有效地予以消弱,致使风硐中先后出现可对风机造成二次冲击的2道冲击波;去除防爆门立壁结构对提升泄爆效果作用不明显,但可使防爆门受到的冲击明显减弱;在一定范围内,减轻防爆门质量对提高泄爆效果的作用较为有限,且会使防爆门吸收的爆炸能量明显增加;在增量不大的情况下,增大防爆门到风井和风硐交岔点的距离即能有效改善泄爆效果;侧向和正向先行泄爆方法均能明显增强泄爆效果,并对防爆门有显著的减冲和保护作用,在算例条件下,最优可使反射波超压峰值下降49.4%和28.3%;防爆门开启时间、泄爆面积和防爆门到风井/风硐交岔点的距离是影响泄爆效果的重要因素;风井达到良好泄爆效果所需要的开启时间比现行防爆门要短得多;仅在井口设置防爆门存在不能消减风硐中第1道冲击波超压峰值的局限性。基于对风井泄爆过程、机理和方法的新认识,提出了以“两区域多通道”泄爆为特征的主辅防爆门协同泄爆方法,以系统提升风井泄爆效果和防爆水平。

关键词：风井煤矿风井泄爆先行泄爆协同泄爆防爆门流固耦合

兴运煤矿河流下厚煤层开采安全性分析和防控技术

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采矿与安全工程学报 2024年第2期41卷 305-314页

作者：郭文兵吴东涛杨伟强马志宝刘玄河南理工大学能源科学与工程学院河南焦作454000 煤炭安全生产与清洁高效利用省部共建协同创新中心河南焦作454000

为掌握厚煤层开采覆岩破坏及导水裂隙发育规律,综合运用理论分析、数值模拟、地表钻孔冲洗液漏失量现场观测和钻孔电视相结合的研究方法,对某矿工作面煤层上方覆岩破坏及导水裂隙发育规律进行了研究。提出了河流下厚煤层开采覆岩导水裂... 详细信息

为掌握厚煤层开采覆岩破坏及导水裂隙发育规律,综合运用理论分析、数值模拟、地表钻孔冲洗液漏失量现场观测和钻孔电视相结合的研究方法,对某矿工作面煤层上方覆岩破坏及导水裂隙发育规律进行了研究。提出了河流下厚煤层开采覆岩导水裂隙带发育高度计算方法,揭示了厚煤层开采覆岩破坏形态及裂隙发育过程,分析了河流下采煤安全性,开展了河流下煤层开采地表河流综合防治技术研究并进行了实施。结果表明:研究区河流下厚煤层开采的导水裂隙带高度为118.5 m,裂采比为21.5;理论分析和数值模拟得到的导水裂隙带发育高度与现场实测结果一致,导水裂隙带高度呈阶梯形上升,每个阶段均有突增点,基本顶周期性破断后,基本顶上覆岩层易发生整体断裂下沉,最终表现为阶段稳定及突增现象;导水裂隙带在埋深较浅处(如河床)将直接发育到地表,没有防水安全煤岩柱;针对河流下厚煤层开采安全问题,提出了河流下采煤的安全技术措施,包括地面河流水体处理、河底内封堵导水通道、井下防治水等,彻底解除了河流下采煤的安全隐患,实现了河流下厚煤层安全开采。

关键词：河流下采煤导水裂隙带漏失量钻孔电视水害防治

采动岩体损伤与断层冲蚀协同致灾时空演化机制

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煤炭学报 2024年第5期49卷 2212-2221页

作者：姚邦华李硕杜锋李振华张勃阳曹正正王戈河南理工大学安全科学与工程学院河南焦作454000 河南理工大学能源科学与工程学院河南焦作454000 煤炭安全生产与清洁高效利用省部共建协同创新中心河南焦作454000

随着我国煤矿开采向深部延伸,断层突水成为威胁煤矿安全生产的重大灾害之一。基于采动诱发断层突水相关研究成果,笔者提出了采动岩体损伤破裂−破碎岩体(断层)冲蚀协同致灾的突水概念模型,推导了2种介质的渗透性演化方程,系统性构建了工... 详细信息

随着我国煤矿开采向深部延伸,断层突水成为威胁煤矿安全生产的重大灾害之一。基于采动诱发断层突水相关研究成果,笔者提出了采动岩体损伤破裂−破碎岩体(断层)冲蚀协同致灾的突水概念模型,推导了2种介质的渗透性演化方程,系统性构建了工作面采动破坏与断层内部颗粒冲蚀协同致灾力学模型;数值模拟研究了采动岩体变形破坏、断层内颗粒运移以及渗流通道演化特征,系统性阐释了采动诱发断层突水的渗流灾变时空演化机制。研究结果表明:①随着工作面不断推进,底板采动岩体损伤场与断层冲蚀裂隙相连通,形成了含水层—断层—采动裂隙—工作面的渗流路径,并随着冲蚀时间增加,最终发展成为数条优势导水通道,造成工作面涌水量的急剧增大并发生滞后突水。②随着渗流时间增加,断层内部涌水量、裂隙开度均表现为缓变—突增—稳定3个阶段,冲蚀颗粒体积分数则呈现先增大后减小的变化趋势。③在研究矿区地质条件下,为预防发生断层突水,可采取超前注浆或留设防水煤柱等方法,超前注浆时间应在底板裂隙带连通断层之前,若不采取注浆措施则合理防水煤柱的留设宽度不应低于20 m。

关键词：断层突水采动岩体冲蚀作用突水通道

煤矿软弱围岩锚固孔底部扩孔区锚固效果保障方法与实验

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煤炭学报 2024年第S1期49卷 108-120页

作者：贺德印刘少伟付孟雄贾后省张玮钰宋伟鹏河南理工大学能源科学与工程学院煤炭安全生产与清洁高效利用省部共建协同创新中心内蒙古蒙东能源有限公司敏东一矿

锚固孔扩孔锚固作为增强锚杆(索)对煤矿软弱围岩巷道支护效果的技术举措，对提升煤矿软弱围岩巷道主动支护质量及安全水平发挥了重要作用，然而，扩孔施工也明显增大了扩孔位置锚固孔的尺寸，导致按照锚杆(索)常规树脂锚固施工方式进行... 详细信息

锚固孔扩孔锚固作为增强锚杆(索)对煤矿软弱围岩巷道支护效果的技术举措，对提升煤矿软弱围岩巷道主动支护质量及安全水平发挥了重要作用，然而，扩孔施工也明显增大了扩孔位置锚固孔的尺寸，导致按照锚杆(索)常规树脂锚固施工方式进行施工时扩孔区锚固剂固化及充填效果不理想等问题，显然这不利于锚固孔扩孔锚固性能的充分发挥。为明晰锚固孔扩孔锚固时扩孔区锚固问题及其影响，并寻找有效的解决途径，以确保锚固孔扩孔条件下锚杆(索)的锚固性能，采用数值模拟及实验室实验相结合的方法开展了系统研究。研究结果表明：施工过程中树脂锚固剂弯折(曲)进入扩孔区使锚索无法对它进行有效搅拌及破碎，以及扩孔位置锚固孔体积的增大使得锚固剂不能有效充满，是导致扩孔区锚固问题的主要原因；锚索拉拔模拟结果显示扩孔区锚固缺陷对锚索的锚固性能及锚固系统的失效形式有较大影响；为改善扩孔区的锚固效果，提出了锚固孔底部扩孔区锚固效果保障方法，并实验验证了该方法的有效性，实验结果表明该方法有效确保了软弱围岩锚固孔底部扩孔区的锚固效果，增强了锚索的锚固性能。本研究有效解决了锚固孔扩孔区的锚固问题，有助于煤矿软弱围岩条件下锚索高强支护能力的充分发挥，为确保锚索对软弱围岩巷道支护效果提供了技术途径。

关键词：锚杆支护锚固孔扩孔锚固效果软弱围岩锚固力提升

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松软煤层钻进钻杆减重降阻机制及应用研究

煤田地质与勘探 2024年第5期52卷 174-182页

作者：王永龙郭佳宽余在江杜康孙玉宁河南理工大学能源科学与工程学院河南焦作454003 煤炭安全生产与清洁高效利用省部共建协同创新中心河南焦作454003

施工瓦斯抽采钻孔是治理瓦斯危害的必要手段,针对松软煤层钻进因钻杆自重大引起的钻进阻力大、钻进效率低及劳动强度高等问题,提出了优化钻杆结构以减少自重并降低钻进阻力的研究思路,通过设置四翼内凹结构达到减小钻杆自重及降低钻进... 详细信息

施工瓦斯抽采钻孔是治理瓦斯危害的必要手段,针对松软煤层钻进因钻杆自重大引起的钻进阻力大、钻进效率低及劳动强度高等问题,提出了优化钻杆结构以减少自重并降低钻进阻力的研究思路,通过设置四翼内凹结构达到减小钻杆自重及降低钻进阻力的目的,并依此设计了四翼内凹刻槽钻杆,兼顾钻杆推进阻力和旋转扭矩损失,建立了钻杆钻进阻力模型,结合ANSYS数值模拟方法对四翼内凹刻槽钻杆进行强度校核分析与参数优化,研制了四翼内凹刻槽钻杆,并进行了现场工业性试验。研究表明:(1)对于100m钻孔深度,四翼内凹刻槽钻杆相对于圆状刻槽钻杆质量减轻了21.88%,在正常钻进时,四翼内凹刻槽钻杆与圆钻杆相比旋转扭矩损失降低了25.10%;与圆状刻槽钻杆相比降低了20.90%。在塌孔10m的情况下,四翼内凹刻槽钻杆钻进阻力相对于圆钻杆降低了51.44%,相对于圆状刻槽钻杆降低了43.65%。(2)对四翼内凹刻槽钻杆进行强度分析与参数优化,结果显示,在常规坑道钻机作用下,钻杆最大应力与内凹深度呈正相关,与壁厚呈负相关,壁厚对于应力的影响大于内凹深度的影响,且在内凹宽度为33mm、深度为4mm、壁厚为11.5mm时,安全系数为1.59。(3)现场工业性试验表明,四翼内凹刻槽钻杆排渣顺畅,强度可靠,钻进深度提高了18.18%,钻进效率提高了17.80%。在保证钻杆强度的前提下、通过钻杆结构创新有效降低钻杆质量,对于降低工人劳动强度、提高钻进效率和成孔率具有显著的效果,为推动复杂地层钻探技术发展提供了新的方法。

关键词：松软煤层瓦斯抽采钻杆减重钻进阻力强度校核