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倾斜管内气液两相逆流极限实验研究

核动力工程 2024年第3期45卷 51-59页

作者：马有福韩林峰温慧铭吕俊复王硕上海理工大学能源与动力工程学院上海200093 怀柔实验室山西研究院太原030032 清华大学能源与动力工程系北京100084

失水事故下压水堆热段内气液两相顺利逆流对防止堆芯熔化事故至关重要,而热段是由水平管与倾斜管组合而成。为探明热段内气液逆流的约束机制,以常温空气/水为两相工质对倾斜管与水平管内气液两相逆流极限(CCFL)特性进行实验,研究了管道... 详细信息

失水事故下压水堆热段内气液两相顺利逆流对防止堆芯熔化事故至关重要,而热段是由水平管与倾斜管组合而成。为探明热段内气液逆流的约束机制,以常温空气/水为两相工质对倾斜管与水平管内气液两相逆流极限(CCFL)特性进行实验,研究了管道倾角(0°~30°)和管径(40~100 mm)对管内CCFL的影响。主要结论有:CCFL工况下,水平管内呈分层流;随管道倾角和管径增大,倾斜管内分层流逐渐过渡为雾状流;相同管径下,以表观流速表征的CCFL曲线随管道倾角增大而升高,意味着热段内气液逆流主要受水平段控制;相同管道倾角下,倾斜管与水平管的CCFL表观流速曲线均随管径增大而升高;传统Wallis参数未反映管道倾角对CCFL的影响,也未能准确表征管径对水平管CCFL的影响,但Wallis参数可良好关联管径对倾斜管CCFL的影响;提出了可同时关联管道倾角与管径影响的倾斜管CCFL实验关联式。研究结果对压水堆核电厂的安全性分析提供了基础数据和实验关联式。

关键词：压水堆失水事故气液两相逆流极限(CCFL) 倾斜管管径效应

水热及水热氧化预处理对棉秆基成型炭和活性炭性能的影响

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煤炭转化 2024年第2期47卷 86-97页

作者：吕邦勇张守玉杨济凡陈旭阳胡南吴玉新上海理工大学能源与动力工程学院上海200093 长春工程学院长春130012 清华大学能源与动力工程系北京100084

水热及水热氧化预处理可以调整生物质内部组分占比,有效促进生物质资源多元化利用。以棉秆为实验原料,经160℃~260℃水热及水热氧化预处理后制备成型炭和活性炭,并使用范式法、热重分析和X射线光电子能谱等测试手段,分析了水热及水热氧... 详细信息

水热及水热氧化预处理可以调整生物质内部组分占比,有效促进生物质资源多元化利用。以棉秆为实验原料,经160℃~260℃水热及水热氧化预处理后制备成型炭和活性炭,并使用范式法、热重分析和X射线光电子能谱等测试手段,分析了水热及水热氧化预处理后生物质内部组分的演变对棉秆基成型炭和活性炭的产率、理化性能的影响。结果表明:水热及水热氧化预处理后棉秆中半纤维素和纤维素的分解有利于成型炭的产率和能量密度的增加;与水热预处理相比,水热氧化预处理进一步提高了成型炭的产率及热值,可在一定程度上降低预处理强度;棉秆基活性炭的总产率受预处理产率和活化产率的综合影响;随着水热及水热氧化预处理温度的升高,活性炭总产率呈现先升高后降低趋势,并在预处理温度为200℃获得的最大产率分别为36.95%和29.17%;与原料活性炭相比,水热及水热氧化预处理棉秆基活性炭的前驱体表面含氧官能团含量显著提升,有利于后续的氯化锌活化,得到的活性炭比表面积显著增加,吸附性能更优;此外,在180℃和200℃下水热氧化后的棉秆基活性炭碘吸附值均达到GB/T 13803.2-1999制净水用活性炭的二级品标准。

关键词：棉秆水热预处理水热氧化预处理成型炭活性炭

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离散Boltzmann方程的求解:基于有限体积法

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物理学报 2024年第11期73卷 70-79页

作者：孙佳坤林传栋苏咸利谭志城陈亚楼明平剑中山大学中法核工程与技术学院珠海519082 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 新加坡国立大学机械工程系新加坡119260

近十年来,离散Boltzmann方法在复杂非平衡流体系统领域的应用取得了显著的进展,这种方法已逐步成为描述和预测流体系统行为的重要手段.该方法的控制方程是一套简单统一的离散Boltzmann方程,其离散格式的选取对于数值模拟的计算精度和稳... 详细信息

近十年来,离散Boltzmann方法在复杂非平衡流体系统领域的应用取得了显著的进展,这种方法已逐步成为描述和预测流体系统行为的重要手段.该方法的控制方程是一套简单统一的离散Boltzmann方程,其离散格式的选取对于数值模拟的计算精度和稳定性有着直接影响.为了提高数值模拟的可靠性,本文引入有限体积法用于求解离散Boltzmann方程.有限体积法是一种常用的数值计算方法,具有守恒性强、精度高等特点,可用于有效处理高速可压缩流体的数值计算问题.本文采用MUSCL格式进行重构,并引入了通量限制器以提高数值计算的稳定性.最后,对基于有限体积的离散Boltzmann方法进行了验证,数值算例包括冲击波、Lax激波管以及声波.结果表明,该方法能够准确刻画冲击波、稀疏波、声波,以及物质界面的演化,同时确保系统的质量、动量和能量守恒,还可以准确测量流体系统的流体力学和热力学非平衡效应.

关键词：离散Boltzmann方法有限体积法非平衡效应可压缩流

集流体对平板型固体氧化物燃料电池性能的影响机制

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硅酸盐学报 2024年第1期52卷 19-29页

作者：张纪豪权蒙豪孙凯华韩敏芳中国矿业大学低碳能源与动力工程学院江苏徐州221116 徐州华清京昆能源有限公司江苏徐州221005 清华大学能源与动力工程系北京100084

工业尺寸固体氧化物燃料电池面积大、且存在翘曲,可靠集电是SOFC高效输出的重要保障。以长条形阳极支撑半电池为基体,分割阴极制备成4个面积2.0 cm×2.1 cm的绝缘阴极区域,每个区域覆盖不同面积银网构成差异性集电。在各绝缘区域分别开... 详细信息

工业尺寸固体氧化物燃料电池面积大、且存在翘曲,可靠集电是SOFC高效输出的重要保障。以长条形阳极支撑半电池为基体,分割阴极制备成4个面积2.0 cm×2.1 cm的绝缘阴极区域,每个区域覆盖不同面积银网构成差异性集电。在各绝缘区域分别开展电化学阻抗谱测试和电流-电压特性曲线扫描,结果表明:开路下25%银网覆盖区域阻抗实部显著高于其他区域,拉载时同等输出电压下电池电流密度随银网面积的减少而单调递减。测量同类电池阴阳极电导率,并表征微观构造。相关参数代入模型,得出沿流道方向电流与电压分布:无银网覆盖阴极存在累积的水平电流,造成总输出电流减小及电流密度分布不均,影响电极极化过程,恶化电池输出性能。

关键词：固体氧化物燃料电池集流体接触电阻分割电池水平电流

基于ReaxFF力场的纤维素水热过程机理研究

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化工学报 2024年

作者：梁宁张守玉刘思梦黄健添吕邦勇杨楚轲胡南吴玉新上海理工大学能源与动力工程学院长春工程学院能源动力工程学院清华大学能源与动力工程系

使用Materials Studio软件建立并优化纤维素-水模型体系，利用LAMMPS软件对其进行水热过程的分子动力学模拟，模拟研究了水热体系内纤维素水热产物的演变规律及其水热反应机理。结果表明：温度是影响纤维素水热产物分布的重要因素。随... 详细信息

使用Materials Studio软件建立并优化纤维素-水模型体系，利用LAMMPS软件对其进行水热过程的分子动力学模拟，模拟研究了水热体系内纤维素水热产物的演变规律及其水热反应机理。结果表明：温度是影响纤维素水热产物分布的重要因素。随着水热温度的增加，纤维素分解加剧，体系内水热固相产物相对含量急剧下降，固相产物的芳香性和热值增高，亲水性降低；重质焦油、轻质焦油的相对含量均先增加后降低，焦油二次裂解为小分子反应加剧；随着水热温度的增加，体系内CO2和H2生成量均持续升高，甲酸生成量呈先升高后降低的趋势，甲醛生成量差异较小。模拟结果亦表明H2O分子主要以水合氢离子(H3O+)的形式参与纤维素水热反应，随着水热温度的升高，体系中水分子的电离反应与纤维素的脱水反应均增强。纤维素水热机理分析表明水热过程中纤维素的解聚包括分解为葡萄糖和脱水为左旋葡聚糖两条路径，而葡萄糖单体重排异构过程中会经历烯二醇三种过渡态结构，不同的结构通过脱水、逆羟醛缩合等反应分别生成呋喃类和醇醛类等主要中间产物。通过纤维素水热反应机理的分析，可为生物质水热转化提供理论指导。

关键词：生物质水热处理纤维素 ReaxFF反应力场反应路径

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生物质燃料颗粒热压成型过程分析

煤炭学报 2024年第2期49卷 1123-1137页

作者：张守玉黄健添郎森张邢佳陈旭阳梁宁吕邦勇杨楚轲胡南吴玉新吕俊复上海理工大学能源与动力工程学院上海200093 怀柔实验室山西研究院山西太原030032 长春工程学院吉林长春130012 清华大学能源与动力工程系北京100084

“双碳”战略下,生物质因其可再生、低污染和“零”碳排等优点而备受关注。生物质成型制备燃料颗粒能有效地解决其结构松散、能量密度低等问题,可用作化石燃料的替代品,对于新型能源体系的建设具有重要意义。笔者概述了生物质热压成型... 详细信息

“双碳”战略下,生物质因其可再生、低污染和“零”碳排等优点而备受关注。生物质成型制备燃料颗粒能有效地解决其结构松散、能量密度低等问题,可用作化石燃料的替代品,对于新型能源体系的建设具有重要意义。笔者概述了生物质热压成型过程的影响因素,分析并探讨了热压成型过程中生物质颗粒的演变行为和结合机制。生物质成型工艺主要包括冷压成型和热压成型。与冷压成型相比,热压成型能耗较低,制得成型燃料品质较高。生物质含水率(4%~15%)对其成型燃料密度影响较大,成型温度(70~150℃)影响较小,成型压力(60~130 MPa)和原料粒度(机械互锁。脆性颗粒破碎后释放出天然黏性成分,在水分、温度和压力的共同作用下形成颗粒间桥接。机械互锁和桥接缩小了生物质分子间的距离,促进了分子间作用力的产生。在对生物质热压成型机制认识的基础上,利用不同生物质掺混或水热等预处理手段对生物质组分进行调控可提高燃料颗粒的品质。利用分子动力学手段对生物质成型过程进行仿真模拟,可获得生物质组分分子间的键合机制,有利于进一步探究生物质热压成型机制,对生物质成型燃料乃至成型材料的制备有着重要的指导意义。

关键词：生物质成型分子间作用力机械互锁桥接

准饱和NaCl水溶液喷射闪蒸–掺混蒸发(FME)中析晶过程的研究

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工程热物理学报 2024年第1期45卷 20-31页

作者：郑巨淦张丹杨越杨庆忠袁洋西安交通大学能源与动力工程学院陕西西安710049 天津商业大学机械工程学院天津300134

含盐废水在有限通道内的喷射闪蒸–掺混蒸发(FME)是实现深度脱盐的有效途径之一。本文以准饱和NaCl水溶液为工质,在实验研究的基础上围绕FME中液滴群的运动、蒸发、析晶过程建立了完整的计算模型。据此在液滴群初始粒径为20~200μm、初... 详细信息

含盐废水在有限通道内的喷射闪蒸–掺混蒸发(FME)是实现深度脱盐的有效途径之一。本文以准饱和NaCl水溶液为工质,在实验研究的基础上围绕FME中液滴群的运动、蒸发、析晶过程建立了完整的计算模型。据此在液滴群初始粒径为20~200μm、初始温度为100~120℃、初始盐质量分数为0.26、初始速度为20 m·s^(-1),掺混热空气速度为15 m·s^(-1)、温度为100~300℃,喷射角0?~90°的范围内对FME流场开展了数值模拟。结果表明:在喷射角从顺流掺混的0°增大至横流掺混的90°的过程中,晶体析出位置逐渐由喷射轴线处移至雾羽流场上部,使得析出晶体易于分离;随着喷射角、过热度或掺混风温的增加,液滴群的截面平均盐结晶质量分数增加,而平均粒径与析晶距离均减小。为衡量析晶效果,定义完全析晶效率为给定距离内液滴群结晶盐质量流量与喷嘴入口盐溶液所含溶解盐质量流量之比。结果指出:增加喷射角度或掺混风温是提高完全析晶效率的有效手段。提出了该完全析晶效率的半经验计算式,其计算值与模拟值的主体误差在±35%之内。本文研究结果可为工业脱盐装置的设计和运行提供技术支撑。

关键词：喷射闪蒸掺混蒸发析晶过程数值模拟

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基于耦合分析的热流系统协同设计

控制理论与应用 2024年第1期41卷 118-126页

作者：温宇钒何婷李东海暨南大学能源电力研究中心国际能源学院广东珠海519070 清华大学能源与动力工程系北京100084

作为综合能源系统的一部分,热流系统通常在稳态假设下设计其物理系统,在此基础上设计控制器.这种方法忽略了系统与控制器设计间的耦合关系,导致系统暂态性能不佳.为此,本文提出一种协同设计方法,以系统总质量、熵产率以及控制效果为设... 详细信息

作为综合能源系统的一部分,热流系统通常在稳态假设下设计其物理系统,在此基础上设计控制器.这种方法忽略了系统与控制器设计间的耦合关系,导致系统暂态性能不佳.为此,本文提出一种协同设计方法,以系统总质量、熵产率以及控制效果为设计度量,基于热流系统数学模型及其熵产率模型,结合嵌套设计方法和同步设计方法完成系统设计.考虑到设计过程中设计参数多、变量范围大的问题,引入时间序列模式距离,构造相关度度量函数来分析物理系统与控制器之间的耦合关系,从而减少非耦合参数.同时,利用数据分析方法进一步缩小了待设计参数范围.为验证方法的有效性,以一个理想热流系统为设计实例,仿真结果表明,通过相关度度量函数及其数据分析,可以将设计参数个数减少66%,选取范围缩小26%.相比于传统顺序设计方法,经过协同设计方法设计的系统控制误差可减少29%,且设计控制器抗扰能力也优于频域方法和SIMC方法.

关键词：热流系统设计优化整体设计耦合分析

高速激光熔覆平板和外/内轴熔池动态演化研究

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激光与光电子学进展 2024年

作者：付延昭顾衡钱黎黎任旭东江苏大学机械工程学院江苏大学能源与动力工程学院

本研究采用计算流体动力学仿真模型分别在平板、外轴和内轴上进行高速激光熔覆，探究扫描工艺参数对熔覆层形貌和熔池的影响，同时分析在不同工件上进行单道和多道扫描时熔池动态演化过程的差异。结果表明：随着扫描速度的增加，熔池逐... 详细信息

本研究采用计算流体动力学仿真模型分别在平板、外轴和内轴上进行高速激光熔覆，探究扫描工艺参数对熔覆层形貌和熔池的影响，同时分析在不同工件上进行单道和多道扫描时熔池动态演化过程的差异。结果表明：随着扫描速度的增加，熔池逐渐减小。在相同的工艺参数下，平板上的熔池最大，并且熔覆层的宽度和高度随着扫描速度的增加而逐渐减小。在工艺参数相同时，平板上的熔覆层宽度最小，高度最大；而外轴上的熔覆层宽度和高度均小于内轴上的。在进行多道熔覆的过程中，随着扫描道数的增加，熔池也随之增大。值得注意的是，从第二道开始，每一道扫描都导致熔覆层宽度的增加大于设定的搭接偏移量，并且随着扫描道数的增加，每一道扫描使熔覆层增加的宽度也逐渐增大。在外轴和内轴上，由于重力的作用效果，熔池产生了不同的动态流动，而在平板上，重力对熔池流动的影响较小。在平板、外轴和内轴上熔覆层中心纵向截面的熔池动态演化过程中，熔池的流动方式相同，熔池内的液体在马兰戈尼力和表面张力的共同作用下朝着熔池的末端流动。熔池的最大流速分别是0.931 m/s,0.964 m/s和1.385 m/s，其中平板上的熔池流速最小，而内轴上的熔池流速最大。温度梯度随熔覆速度的增大而减小，当熔覆速度相同时，平板上的温度梯度最大，内轴上的温度梯度最小。

关键词：高速激光熔覆计算流体动力学轴类零件多道扫描熔池演化重力影响