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用于气膜冷却的机器学习湍流模型

工程热物理学报 2024年第5期45卷 1324-1331页

作者：张振叶林苏欣荣袁新清华大学能源与动力工程系北京100084

在气膜冷却中,主流和射流的相互作用会产生三维涡系结构和湍流掺混,它们引起了温度的对流和湍流扩散输运。由于上述现象的三维特性,传统的湍流模型无法准确预测气膜冷却效果,限制了燃气轮机冷却结构的分析与设计水平。本文采用湍流模型... 详细信息

在气膜冷却中,主流和射流的相互作用会产生三维涡系结构和湍流掺混,它们引起了温度的对流和湍流扩散输运。由于上述现象的三维特性,传统的湍流模型无法准确预测气膜冷却效果,限制了燃气轮机冷却结构的分析与设计水平。本文采用湍流模型反演机器学习框架,基于流场关键位置的温度数据,对湍流普朗特数进行了具有空间分布的修正。所发展的机器学习湍流温度扩散模型可以显著降低冷却有效度的预测误差,且具有较好的泛化能力。

关键词：气膜冷却湍流模型机器学习

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催化燃烧过程中的气相火焰

工程热物理学报 2024年第5期45卷 1534-1547页

作者：隋然清华大学能源与动力工程系、燃烧能源中心北京100084

催化燃烧技术的工业应用涵盖了我国“十四五”规划和2035远景目标纲要中指定的若干未来战略性产业,因此具有重要的科学和战略意义。在许多催化燃烧的应用场景中,气相火焰被点燃并与催化反应路径发生错综复杂的耦合关系。本文回顾了近年... 详细信息

催化燃烧技术的工业应用涵盖了我国“十四五”规划和2035远景目标纲要中指定的若干未来战略性产业,因此具有重要的科学和战略意义。在许多催化燃烧的应用场景中,气相火焰被点燃并与催化反应路径发生错综复杂的耦合关系。本文回顾了近年来贵金属催化通道内预混层流火焰的最新研究进展,简要梳理了催化通道内催化气相燃烧的控制方程、数值模型、点火和传递条件,以及氢气、合成气、甲烷、丙烷、正癸烷等重要燃料在铂、铑、钯等催化通道内的贫燃和富燃燃烧时的火焰形态和特性,尤其是化学、流动和传热传质等方面的决定因素。

关键词：催化燃烧催化-气相耦合燃烧微尺度燃烧气-固耦合贵金属催化

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封严泄漏流对端壁换热特性的影响机制

工程热物理学报 2024年第8期45卷 2299-2305页

作者：董逸飞李雪英任静清华大学能源与动力工程系北京100084

燃气轮机封严泄漏流对端壁处的流动换热具有显著影响。本文采用经实验验证的三维RANS数值方法,分析了不同泄漏流流量、旋流角和射流角与主流交互作用对端壁换热的影响机制。结果表明,泄漏流质量流量比增大强化了马蹄涡并增强了换热;旋... 详细信息

燃气轮机封严泄漏流对端壁处的流动换热具有显著影响。本文采用经实验验证的三维RANS数值方法,分析了不同泄漏流流量、旋流角和射流角与主流交互作用对端壁换热的影响机制。结果表明,泄漏流质量流量比增大强化了马蹄涡并增强了换热;旋流角增大强化了马蹄涡压力侧分支与马蹄涡吸力侧分支的掺混,导致前缘处的换热增强;射流角增大降低了泄漏流的流向穿透力,增强了叶栅前部换热。该结果有助于封严结构设计及端壁热防护。

关键词：燃气轮机封严泄漏流端壁换热数值模拟

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外加电场下电介质颗粒层结构重构与悬浮

化工学报 2024年第8期75卷 2756-2762页

作者：钱啸宇阮璇李水清清华大学能源与动力工程系北京100084

施加电场控制荷电颗粒的运动广泛应用于工业过程。目前对电介质颗粒群在电场中行为的研究仍不充分。因此,通过数值模拟研究了电介质颗粒层在外加电场内的完整动力学行为。基于研究结果,首先构建了电场中电介质颗粒的行为模式相图,并推... 详细信息

施加电场控制荷电颗粒的运动广泛应用于工业过程。目前对电介质颗粒群在电场中行为的研究仍不充分。因此,通过数值模拟研究了电介质颗粒层在外加电场内的完整动力学行为。基于研究结果,首先构建了电场中电介质颗粒的行为模式相图,并推导出相邻区域的边界。进一步表征了颗粒层结构,探究了外场和颗粒间静电作用对结构重构的影响机制。最后,对颗粒层的悬浮运动过程进行了分析。

关键词：数值模拟多尺度颗粒静电作用结构重构悬浮

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基于物理信息神经网络的气膜冷却湍流模型反演学习

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动力工程学报 2024年第9期44卷 1459-1465页

作者：张振苏欣荣袁新清华大学能源与动力工程系北京100084

由于气膜冷却问题中湍流的复杂特性,传统雷诺平均(RANS)方法会低估湍流的热扩散强度,导致冷却效果计算不准确。对此提出了一套基于物理信息神经网络(PINN)的湍流建模框架,基于RANS流场和大涡模拟(LES)温度场,建立了数据驱动的湍流普朗... 详细信息

由于气膜冷却问题中湍流的复杂特性,传统雷诺平均(RANS)方法会低估湍流的热扩散强度,导致冷却效果计算不准确。对此提出了一套基于物理信息神经网络(PINN)的湍流建模框架,基于RANS流场和大涡模拟(LES)温度场,建立了数据驱动的湍流普朗特数神经网络模型,在RANS求解器中嵌入该模型,可以动态调整湍流的热扩散强度,获得了与LES高度一致的温度场。结果表明:PINN是构建数据驱动湍流模型的良好方法,对于湍流普朗特数的建模可以有效提升RANS方法对温度预测的准确性。

关键词：气膜冷却物理信息神经网络湍流普朗特数机器学习湍流模型

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燃氢燃机高温高湿透平耦合传热和冷却特性

动力工程学报 2024年第9期44卷 1416-1423页

作者：任静李雪英黄新宇王文萍孙鹏李明飞清华大学能源与动力工程系北京100084

分析了燃氢燃机透平在导热/对流/辐射耦合作用下的流动传热和冷却特性,发展了能够计算高H_(2)O与CO_(2)分压比的灰气体加权和(WSGG)模型。结果表明:燃氢燃机工质中水蒸气含量增大导致金属壁面温度升高;加入辐射的影响后,H_(2)O和CO_(2)... 详细信息

分析了燃氢燃机透平在导热/对流/辐射耦合作用下的流动传热和冷却特性,发展了能够计算高H_(2)O与CO_(2)分压比的灰气体加权和(WSGG)模型。结果表明:燃氢燃机工质中水蒸气含量增大导致金属壁面温度升高;加入辐射的影响后,H_(2)O和CO_(2)含量对传热的影响呈相反的结果,这主要是由于CO_(2)的对流传热能力强于H_(2)O,而H_(2)O的辐射能力强于CO_(2);在对流、导热、辐射3种传热方式都存在的燃氢透平冷却耦合系统中,气膜冷却的速度场几乎不受影响,而温度场则深受耦合及辐射的影响,所定义的耦合条件下气膜冷却效率能够表征燃氢条件下气膜的冷却性能,因此在燃氢燃机透平冷却的设计中,燃氢导致的热负荷恶化需纳入设计变量中。

关键词：燃氢燃气轮机透平高温高湿耦合传热冷却特性辐射

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纳米受限效应下流体自扩散机理及规律研究

工程热物理学报 2024年第3期45卷 778-784页

作者：曾克成姜培学胥蕊娜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

当固体壁面间距仅有几个纳米时,纳米受限效应使得流体自扩散系数降低12个数量级,孔径、温度和压力的影响显著且复杂。分析受限流体扩散机理和规律,建立简洁的关联式具有重要意义。本研究从分子模拟出发,经过仔细计算和分析,获得了大量... 详细信息

当固体壁面间距仅有几个纳米时,纳米受限效应使得流体自扩散系数降低12个数量级,孔径、温度和压力的影响显著且复杂。分析受限流体扩散机理和规律,建立简洁的关联式具有重要意义。本研究从分子模拟出发,经过仔细计算和分析,获得了大量纳米孔隙中流体自扩散系数数据。分析了壁面吸附作用对流体扩散的影响机理和规律,提出了可简单描述流体扩散行为的无量纲扩散系数,从而与努森数建立相应关联式,具有较强的适用性。

关键词：纳米受限流体扩散分子动力学

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氯化铷添加剂对钙钛矿太阳能电池性能的影响

清华大学学报（自然科学版） 2024年第5期64卷 879-888页

作者：高宇张衍国周会李清海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

在钙钛矿前驱体溶液中加入添加剂,是改善钙钛矿薄膜质量、提高钙钛矿太阳能电池性能的重要手段。该研究采用氯化铷(RbCl)作为添加剂,通过扫描电子显微图像、 X射线衍射图谱、光致发光光谱等表征手段,研究了不同比例添加RbCl对钙钛矿薄... 详细信息

在钙钛矿前驱体溶液中加入添加剂,是改善钙钛矿薄膜质量、提高钙钛矿太阳能电池性能的重要手段。该研究采用氯化铷(RbCl)作为添加剂,通过扫描电子显微图像、 X射线衍射图谱、光致发光光谱等表征手段,研究了不同比例添加RbCl对钙钛矿薄膜形貌与结构的影响,并通过外量子效率测试等方法,比较了不同比例RbCl添加后的钙钛矿太阳能电池器件性能。结果表明:RbCl的添加有利于引导钙钛矿晶粒生长,增大晶粒尺度,形成致密薄膜,从而抑制界面处载流子复合。适量添加RbCl后,钙钛矿太阳能电池的光电转化效率从18.88%提升到20.06%,开路电压、短路电流密度和填充因子等参数均显著提高,钙钛矿太阳能电池性能得到明显改善。

关键词：钙钛矿太阳能电池氯化铷添加剂钙钛矿薄膜晶粒尺寸

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还原区焦炭黏附在线测量及黏附模型

工程热物理学报 2024年第6期45卷 1838-1844页

作者：李丹陈登高王邑维李振山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

采用焦炭黏附重量在线测量实验平台,对分级燃烧还原区中含有不同比例未燃尽碳的焦炭黏附进行了研究。实验结果表明,黏附速率取决于未燃尽碳含量,可分为三个区域。Ⅰ区未燃尽碳含量低于下临界值(UBC_L),黏附特性可由灰分性质计算;Ⅲ区未... 详细信息

采用焦炭黏附重量在线测量实验平台,对分级燃烧还原区中含有不同比例未燃尽碳的焦炭黏附进行了研究。实验结果表明,黏附速率取决于未燃尽碳含量,可分为三个区域。Ⅰ区未燃尽碳含量低于下临界值(UBC_L),黏附特性可由灰分性质计算;Ⅲ区未燃尽碳含量高于上临界值(UBC_U),黏附受炭骨架控制,黏附速率很小。Ⅱ区介于UBC_L~UBC_U,黏附特性受炭骨架和灰分性质共同控制。提出了一种焦炭黏附模型并应用于CFD模拟,预测结果与实验数据吻合良好。

关键词：在线黏附重量测量焦炭黏附速率未燃尽碳黏附模型