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陶瓷基复合材料相变发汗冷却实验研究

工程热物理学报 2024年第2期45卷 506-513页

作者：李晓阳李浩姜培学胥蕊娜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

采用轻质耐高温陶瓷基复合材料和相变冷却剂分别是发汗冷却的重要发展方向,然而两者相结合的发汗冷却研究相对缺乏。本文在超声速风洞中实验研究了C/C-SiC陶瓷基复合材料的相变发汗冷却过程,分析了复合材料孔隙结构对发汗冷却性能的影... 详细信息

采用轻质耐高温陶瓷基复合材料和相变冷却剂分别是发汗冷却的重要发展方向,然而两者相结合的发汗冷却研究相对缺乏。本文在超声速风洞中实验研究了C/C-SiC陶瓷基复合材料的相变发汗冷却过程,分析了复合材料孔隙结构对发汗冷却性能的影响。结果表明,陶瓷基复合材料平板中,非均匀分布的孔隙结构加剧了蒸汽堵塞效应,导致平板存在局部高温且难以随注入率提升而消除;而孔隙结构较为均匀的材料,表面的温度分布均匀性和冷却效率明显提高。与金属烧结多孔材料相比,陶瓷基复合材料渗透率和热导率较低导致相变比例低,发汗冷却效率偏低。未来需要继续对孔隙结构的优化方法进行研究,以进一步提升复合材料相变发汗冷却效率和均匀性。

关键词：发汗冷却复合材料相变超声速

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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

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半导体异质结的界面热阻模型研究

工程热物理学报 2024年第4期45卷 1132-1138页

作者：杨光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

本研究提出了一种考虑声子界面透射与散射、过渡层内部声子散射,以及过渡层残余应力耦合作用的异质结等效界面热阻模型。基于该模型计算了两种典型GaN/AlN/Si半导体异质结样品的等效界面热阻,在所研究的温度下模型预测值与实验结果符合... 详细信息

本研究提出了一种考虑声子界面透射与散射、过渡层内部声子散射,以及过渡层残余应力耦合作用的异质结等效界面热阻模型。基于该模型计算了两种典型GaN/AlN/Si半导体异质结样品的等效界面热阻,在所研究的温度下模型预测值与实验结果符合良好。根据模型预测结果,分析了不同过渡层厚度与温度下,主导等效界面热阻的声子散射机制。结果表明,过渡层内部的声子–晶界散射起主导作用,同时过渡层内的残余应力也会对等效界面热阻产生显著影响。

关键词：界面热阻模型半导体异质结过渡层声子–晶界散射

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缺陷对石墨烯热传导性质影响的模拟研究

工程热物理学报 2024年第6期45卷 1767-1772页

作者：陈斌马维刚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

石墨烯作为新型高导热材料,在微器件散热领域具有极大的应用潜力。本文通过第一性原理计算分别研究了N、O修饰及N掺杂等三种类型缺陷对石墨烯热传导性质的影响。结果表明,添加缺陷后石墨烯热导率降低程度为N修饰>O修饰>N掺杂,三种缺陷... 详细信息

石墨烯作为新型高导热材料,在微器件散热领域具有极大的应用潜力。本文通过第一性原理计算分别研究了N、O修饰及N掺杂等三种类型缺陷对石墨烯热传导性质的影响。结果表明,添加缺陷后石墨烯热导率降低程度为N修饰>O修饰>N掺杂,三种缺陷下室温热导率分别为60.7 W/(m·K)、81.2 W/(m·K)和2180 W/(m·K)。添加缺陷后低频声子弛豫时间显著降低,石墨烯晶体的严格周期性排列被破坏而造成的声子散射率增加是热导率大幅下降的主要原因。

关键词：石墨烯热导率声子缺陷第一性原理

超临界CO_(2)动力循环热量流模型与高效求解方法

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工程热物理学报 2024年第2期45卷 535-542页

作者：辛永琳赵甜孙清晗李霞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

超临界CO_(2)动力循环结构紧凑、效率更高,然而工质物性变化剧烈,工质输运与能量传递等多种非线性过程相互耦合,导致传统建模和求解复杂,难以实现精确、高效模拟。本文基于超临界CO_(2)动力循环的热量流模型,提出一种基于广义Benders分... 详细信息

超临界CO_(2)动力循环结构紧凑、效率更高,然而工质物性变化剧烈,工质输运与能量传递等多种非线性过程相互耦合,导致传统建模和求解复杂,难以实现精确、高效模拟。本文基于超临界CO_(2)动力循环的热量流模型,提出一种基于广义Benders分解的高效求解算法,将系统控制方程按线性、(显式/隐式)非线性等数学性质分类处理,利用变量梯度信息迭代更新。相比于传统算法,新方法鲁棒性更好,收敛域扩大48%;当迭代初值偏差较小时,计算效率更高。

关键词：超临界CO_(2)布雷顿循环广义Benders分解热量流法求解算法鲁棒性

圆管瞬态换热的附加热容处理方法及热容影响分析

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工程热物理学报 2024年第1期45卷 246-254页

作者：林远方杨世宇徐向华梁新刚清华大学航天航空学院热科学与动力工程教育部重点实验室北京100084

管道的附加部件导致难以使用一维模型准确描述管内流体的瞬态流动换热,本文提出将其等效为温度不同于管道的部件,按照集总参数法处理附加部件与管道的换热。本文进行温度阶跃和余弦变化工况下圆管的瞬态换热特性实验研究,并采用附加热... 详细信息

管道的附加部件导致难以使用一维模型准确描述管内流体的瞬态流动换热,本文提出将其等效为温度不同于管道的部件,按照集总参数法处理附加部件与管道的换热。本文进行温度阶跃和余弦变化工况下圆管的瞬态换热特性实验研究,并采用附加热容法仿真计算出口温度响应,结果表明:附加热容法能够显著提升计算精度,各工况下仿真结果与实验数据的平均相对误差均不超过2%。同时,本文定义平均迟滞时间量化固体热容对流体温度变化的影响。

关键词：阶跃响应余弦响应附加热容法平均迟滞时间非线性拟合

多温度限制点条件下燃油热管理系统热回油特性分析

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清华大学学报（自然科学版） 2024年第5期64卷 841-851页

作者：杨世宇林远方于海育徐向华梁新刚清华大学航天航空学院热科学与动力工程教育部重点实验室北京100084

热回油是提高飞行器燃油热管理系统性能的重要途径。为研究多温度限制点条件下燃油热管理系统的热回油特性,该文基于Python语言自主开发了燃油热管理系统稳态仿真模型,并进行了实验验证。首先分析了热回油流量对各温度限制点温度的影响... 详细信息

热回油是提高飞行器燃油热管理系统性能的重要途径。为研究多温度限制点条件下燃油热管理系统的热回油特性,该文基于Python语言自主开发了燃油热管理系统稳态仿真模型,并进行了实验验证。首先分析了热回油流量对各温度限制点温度的影响规律,结果表明热回油流量的增加并不一定使得全部温度限制点的温度均下降,甚至导致了供油箱出口温度和热回油阀出口温度的升高,这说明过大或过小的热回油流量均可能引发燃油热管理系统的失效,热回油流量存在满足温度限制要求的变化区间。对于飞机热载荷加热器出口温度和燃油喷嘴出口温度,存在热回油临界流量,当热回油流量达到临界值时,进一步增加热回油会提升系统超温的风险。随后探究了热回油作用下系统的飞机热载荷极限,发现飞机热载荷极限对应于热回油流量限制区间的大小突变为0的临界状态,且此时限制区间的下界是系统的热回油临界流量。进一步研究发现,当飞机热载荷加热器出口温度和燃油喷嘴出口温度在极限状态下同时达到各自的限制值时,系统达到正常工作时的总热载荷极限。为了充分利用系统的总热载荷极限,该文提出了可以实现系统热载荷之间相互传递的中间回路并给出了潜在方案,为飞发一体化热管理提供了一种优化途径。

关键词：热管理系统温度限制热回油热载荷极限数值模拟燃油