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预测性混合体系跨接比容平移SRK状态方程与计算性能评价

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计量学报 2025年

作者：汪尔奇卿康杨震段远源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西南联合研究生院

超临界流体在先进能源系统和低品位热能利用等领域有广泛应用，对其热力学性质的准确描述是系统设计和分析的基础。由于流体近临界时剧烈的密度涨落和物理性质的奇异性，经典状态方程在近临界区域失效。基于重整化群理论的跨接方法可使... 详细信息

超临界流体在先进能源系统和低品位热能利用等领域有广泛应用，对其热力学性质的准确描述是系统设计和分析的基础。由于流体近临界时剧烈的密度涨落和物理性质的奇异性，经典状态方程在近临界区域失效。基于重整化群理论的跨接方法可使状态方程有效描述近临界的热力学性质，但其参数确定依赖于实验数据的拟合，而混合体系相对于纯净物实验数据更加稀少，这种方法的适用性和计算性能有待研究。采用Kiselev跨接方法结合比容平移SRK状态方程（VTSRK方程）建立了纯净物的跨接VTSRK状态方程，不依赖于实验数据，能够对自然工质CO2和HFO类工质实现从常规区到近临界区域的可靠预测。在纯净物方程的基础上，构建了具有预测性能的混合体系跨接VTSRK状态方程，针对CO2和HFO类混合体系，评估了跨接方程在临界参数和pvTx性质上的计算性能，其中预测的临界温度的平均相对偏差仅为0.53%，预测的pvTx性质对大多数实验点在1%偏差以内。混合体系跨接VTSRK状态方程与实验数据一致性良好，展现了对非缔合流体混合物较强的预测性能。

关键词：热学计量状态方程跨接方法混合体系临界轨迹 pvTx性质

北宋定窑茶叶末釉的微观结构与矿物形态学研究

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岩矿测试 2025年第1期44卷 115-126页

作者：徐建业王富芳梁汉东李展平煤炭精细勘探与智能开发全国重点实验室北京100083 中国矿业大学(北京)地球科学与测绘工程学院北京100083 清华大学分析中心北京100084 清华大学化学系有机光电子与分子工程教育部重点实验室北京100084

茶叶末釉古瓷作为最早出现的结晶釉之一,开展深入研究可明确其矿物晶体特征、呈色机理以及古代烧制工艺,丰富古陶瓷数据库。目前相关研究多来源于二十世纪末,样本稀少且囊括的年代和窑口严重不足,所用科学仪器多已淘汰,亟需更多实验分... 详细信息

茶叶末釉古瓷作为最早出现的结晶釉之一,开展深入研究可明确其矿物晶体特征、呈色机理以及古代烧制工艺,丰富古陶瓷数据库。目前相关研究多来源于二十世纪末,样本稀少且囊括的年代和窑口严重不足,所用科学仪器多已淘汰,亟需更多实验分析与数据支撑。本文采用光学显微镜(OM)、激光剥蚀电感耦合等离子体质谱(LA-ICP-MS)、扫描电镜-能谱(SEM-EDS)、激光共聚焦拉曼光谱(LRS)、飞行时间二次离子质谱(ToF-SIMS)等现代科学仪器对北宋定窑茶叶末釉样本中矿物晶体开展了分析和表征。结果表明,釉中主晶相与辽金龙泉务窑一致,为钙长石和辉石;釉面整体表现为酱-黑色釉基质富铁(Fe2O3含量均值9.73%)和矿物结晶富铁(Fe2O3含量均值11.33%),除α-Fe2O3和Fe3O4晶体等熔后重结晶矿物,还有铁镁尖晶石、残余高岭石等未融熔矿物,反演出制釉原料中有镁的加入以及烧成温度可能低于1200℃,异于前人高温烧制的观点。SIMS离子成像揭示了胎釉交界处为厚约20~80μm的钙长石晶体层,而非化妆土或玻璃态的致密反应层。研究揭示了茶叶末古瓷中Fe元素不均匀富集,部分区域过饱和而析出含铁矿物晶体,釉面颜色则主要由黄褐色的矿物晶体斑点和酱-黑色玻璃基质共同组成,同时ToF-SIMS在古瓷微区原位的形貌结构和元素分析上效果显著,能够辨别钙长石、碱性长石等微米级矿物。

关键词：茶叶末瓷矿物元素成像 ToF-SIMS LA-ICP-MS

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增程式电动汽车热电发电系统匹配设计与优化

华中科技大学学报(自然科学版) 2025年第1期 150-157页

作者：陈杰汪若尘丁仁凯罗丁江苏大学汽车与交通工程学院清华大学热科学与动力工程教育部重点实验室

为提升增程式电动汽车的燃油效率，针对三种不同排量的增程式发动机进行了热电发电系统的匹配设计与优化，建立了热电发电系统的有限元数值模型，提出了纵-横-垂三维结构优化方法，得到了不同排量下热电发电系统的最优匹配结构，使得在... 详细信息

为提升增程式电动汽车的燃油效率，针对三种不同排量的增程式发动机进行了热电发电系统的匹配设计与优化，建立了热电发电系统的有限元数值模型，提出了纵-横-垂三维结构优化方法，得到了不同排量下热电发电系统的最优匹配结构，使得在不超过热电材料失效临界温度的同时最大化热电发电系统的净输出功率．仿真结果表明：纵向热电发电片列数、横向热电发电片行数和换热器垂向高度三者不同程度地对热电发电系统的温度分布、压强分布和电压分布产生明显的影响．增加纵向列数和横向行数会使输出电压提高的同时也会导致系统质量寄生损失增加，过大时反而造成净输出功率低下．发动机排量越高，系统最优结构所匹配的纵向列数和垂向高度也越大．

关键词：增程式电动汽车热电发电数值优化净输出功率燃油效率

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基于动态碳熵的主动配电网低碳能量管理策略

上海交通大学学报 2025年

作者：邬东格常馨月薛屹洵黄昱熙苏珈李泽宁孙宏斌太原理工大学电气与动力工程学院太原理工大学煤电清洁智能控制教育部重点实验室清华大学电机系

在推进能源转型和双碳目标的背景下，新型电力系统中的主动配电网通过提高新能源渗透率和发挥需求侧管理作用可以实现规模化节能减排。为此提出一种基于动态碳熵的主动配电网两阶段低碳能量管理策略，以碳价为价格信号，引导柔性负荷参... 详细信息

在推进能源转型和双碳目标的背景下，新型电力系统中的主动配电网通过提高新能源渗透率和发挥需求侧管理作用可以实现规模化节能减排。为此提出一种基于动态碳熵的主动配电网两阶段低碳能量管理策略，以碳价为价格信号，引导柔性负荷参与低碳需求响应。首先，对碳熵模型进行分析，建立考虑储能的碳熵模型，细化需求侧碳排放特征。在此基础上，提出节点碳势评估指标，评估系统碳排放的清洁程度。随后，构建基于动态碳熵的主动配电网两阶段低碳优化调度模型，同时利用分时电价以及节点碳价的引导作用，促进新能源消纳，降低系统碳排放的同时有一定的削峰填谷作用。最后，在IEEE33节点系统设置多个场景来验证所提低碳能量管理模型的有效性和优越性，算例结果表明可以实现主动配电网低碳能量管理。

关键词：主动配电网动态碳熵需求响应低碳能量管理

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微纳尺度体点导热的拓扑优化

物理学报 2019年第20期68卷 12-22页

作者：李含灵曹炳阳清华大学工程力学系热科学与动力工程教育部重点实验室

体点导热问题是电子器件散热优化方面的基础问题之一,已有研究大多建立在傅里叶导热定律的基础上,但随着电子器件的特征尺度降低到微纳米量级,导热优化需要考虑非傅里叶效应.本文结合声子玻尔兹曼方程的数值解和对声子平均自由程进行插... 详细信息

体点导热问题是电子器件散热优化方面的基础问题之一,已有研究大多建立在傅里叶导热定律的基础上,但随着电子器件的特征尺度降低到微纳米量级,导热优化需要考虑非傅里叶效应.本文结合声子玻尔兹曼方程的数值解和对声子平均自由程进行插值的固体各向同性材料惩罚方法,发展了微纳米尺度下弹道-扩散导热的拓扑优化方法.在弹道-扩散导热机制下,体点导热的拓扑优化得到的材料分布明显不同于扩散导热下的树状分布,且会随努森数的变化而变化,与拓扑优化的插值方式和声子弹道输运有关.随着弹道效应的增强,尺寸效应使得材料分布中微小结构的等效热导率低于粗壮结构,因而拓扑优化结果朝着增多粗壮结构、减少微小结构的方向发展.弹道效应足够强时,填充材料聚集在低温边界附近,主干和枝合并,呈团状分布.

关键词：体点导热拓扑优化微纳尺度声子玻尔兹曼输运方程

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(火积)的宏观物理意义及其应用

物理学报 2013年第23期62卷 214-220页

作者：赵甜陈群清华大学工程力学系热科学与动力工程教育部重点实验室北京100084

提高传热过程的性能是解决能源问题的重要途径之一.本文通过与力学中相关概念进行对比,分析了传热过程性能优化的新物理量——(火积)的宏观物理意义.通过(火积)与物体对外传热能力、(火积)定义的传热过程效率以及(火积)与热量传递驱动... 详细信息

提高传热过程的性能是解决能源问题的重要途径之一.本文通过与力学中相关概念进行对比,分析了传热过程性能优化的新物理量——(火积)的宏观物理意义.通过(火积)与物体对外传热能力、(火积)定义的传热过程效率以及(火积)与热量传递驱动力的关系三方面分析,发现(火积)具有的宏观物理意义是物体包含的热量在温度场中所具有的势能.并且,通过对流换热的(火积)理论优化介绍了(火积)理论在工程实际中的应用.

关键词： (火积) 宏观物理意义势能对流换热

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多约束纳米结构的声子热导率模型研究

物理学报 2015年第14期64卷 240-245页

作者：华钰超曹炳阳清华大学工程力学系热科学与动力工程教育部重点实验室北京100084

纳米技术的快速发展使得对微纳尺度导热机理的深入研究变得至关重要.理论和实验都表明,在纳米尺度下声子热导率将表现出尺寸效应.基于声子玻尔兹曼方程和修正声子平均自由程的方法得到了多约束纳米结构的声子热导率模型,可以描述多个几... 详细信息

纳米技术的快速发展使得对微纳尺度导热机理的深入研究变得至关重要.理论和实验都表明,在纳米尺度下声子热导率将表现出尺寸效应.基于声子玻尔兹曼方程和修正声子平均自由程的方法得到了多约束纳米结构的声子热导率模型,可以描述多个几何约束共同作用下热导率的尺寸效应.不同几何约束对声子输运的限制作用可以分开计算,总体影响则通过马西森定则进行耦合.对于热流方向的约束,采用扩散近似的方法求解声子玻尔兹曼方程;对于侧面边界约束,采用修正平均自由程的方法计算边界散射对热导率的影响.得到的模型能够预测纳米薄膜(法向和面向)及有限长度方形纳米线的热导率随相应特征尺寸的变化.与蒙特卡罗模拟及硅纳米结构热导率实验值的对比验证了模型的正确性.

关键词：纳米结构声子热导率尺寸效应玻尔兹曼方程

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石墨烯的声子热学性质研究

物理学报 2014年第15期63卷 295-301页

作者：叶振强曹炳阳过增元清华大学工程力学系热科学与动力工程教育部重点实验室北京100084

声子是石墨烯导热过程中的主要载体,而声子的弛豫时间又是其中最基本、最重要的物理量.本文采用简正模式分解法研究了石墨烯声子的弛豫时间,并且借此分析了不同声子在导热过程中的贡献.该方法通过平衡分子动力学模拟实现,首先通过模拟... 详细信息

声子是石墨烯导热过程中的主要载体,而声子的弛豫时间又是其中最基本、最重要的物理量.本文采用简正模式分解法研究了石墨烯声子的弛豫时间,并且借此分析了不同声子在导热过程中的贡献.该方法通过平衡分子动力学模拟实现,首先通过模拟得到单个声子的能量自相关函数衰减曲线,并进一步采用拟合和积分两种方法得到单个声子的弛豫时间.然后,研究了弛豫时间与波矢、频率和温度的关系.结果发现,弛豫时间随波矢的变化与对应的色散关系相近,弛豫时间与频率和温度的关系符合理论模型:1/τ=νnTm,其中声学支的n为1.56,而光学支结果较为发散,指数m对于不同声子支结果略有不同.最后,还研究了不同频率声子对导热的贡献,发现低频声子在态密度上占有绝对优势,并且其弛豫时间整体高于高频声子,所以低频声子对导热的贡献占据主导地位.

关键词：石墨烯声子弛豫时间简正模式分解法分子动力学模拟

硅纳米薄膜中声子弹道扩散导热的蒙特卡罗模拟

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物理学报 2013年第24期62卷 178-186页

作者：华钰超董源曹炳阳清华大学工程力学系热科学与动力工程教育部重点实验室北京100084

通过建立声子散射概率函数描述声子在输运过程中的散射,提出了一种模拟声子弹道扩散导热的蒙特卡罗方法,并将其应用于硅纳米薄膜中的稳态和瞬态弹道扩散导热过程的研究.提出的蒙特卡罗方法对边界发射的声子束进行跟踪,根据散射概率函数... 详细信息

通过建立声子散射概率函数描述声子在输运过程中的散射,提出了一种模拟声子弹道扩散导热的蒙特卡罗方法,并将其应用于硅纳米薄膜中的稳态和瞬态弹道扩散导热过程的研究.提出的蒙特卡罗方法对边界发射的声子束进行跟踪,根据散射概率函数模拟声子束在传播区域内经历的散射过程,并通过统计声子束的分布得到温度分布.稳态导热过程的模拟发现,尺寸效应会引起边界温度跳跃,其值随着Knudsen数的增大而增大;计算的硅纳米薄膜的热导率随着厚度的增大而增大,与文献中的实验数据和理论模型相符.通过瞬态导热过程的模拟得到了纳米薄膜内的温度分布随时间的变化,发现瞬态导热过程中的热波现象与空间尺度相关,材料尺寸越小,弹道输运越强,薄膜中的热波现象也越显著.

关键词：纳米薄膜弹道扩散导热蒙特卡罗模拟尺寸效应