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自适应变分模态分解算法在高温高压水空化特性分析中的应用

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西安交通大学学报 2025年第1期59卷 56-67页

作者：许博胡鸿飞王海军西安交通大学能源与动力工程学院西安710049

针对高温高压流动工况下,空化状态判断困难、传统分析方法难以有效提取压力脉动信号中的有效信息的问题,以孔板为对象,开展了高温高压水的空化实验,并提出了一种基于遗传算法的自适应变分模态分解(AVMD)算法。该算法通过结合中心频率法... 详细信息

针对高温高压流动工况下,空化状态判断困难、传统分析方法难以有效提取压力脉动信号中的有效信息的问题,以孔板为对象,开展了高温高压水的空化实验,并提出了一种基于遗传算法的自适应变分模态分解(AVMD)算法。该算法通过结合中心频率法、遗传算法、功率谱熵和相对能量等技术,自适应地确定变分模态分解算法中的超参数并有效去除信号中的噪声成分,提高了空化特征的提取精度。结果表明:AVMD算法能够精确捕捉到高温高压水流经孔板时空化现象的发生和发展,识别空化起始点、转捩点以及空化强度的变化;当高温高压水流经孔板后,压力脉动的无量纲频率在0.04~0.35、压力脉动的无量纲幅值在0.014~0.067时,空化现象开始出现;随着空化强度增加,管内压力脉动幅值和频率整体呈增大趋势;空化起始转捩点及空化严重转捩点与入口压力和工质入口过冷度密切相关。AVMD算法能够有效提高空化特性分析的精度,尤其是在复杂流动条件下的空化预测,为压水堆核电站冷却剂系统和高压蒸汽系统的稳定运行提供理论依据和参考。

关键词：高温高压水空化特性自适应变分模态分解孔板

压缩空气储能储气装置充气过程的动态热力特性研究

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西安交通大学学报 2025年第2期59卷 41-49页

作者：武书弘邹瀚森姚尔人席光西安交通大学能源与动力工程学院西安710049

为了探究储气装置充气气体状态对压缩空气储能过程中热力学参量的影响规律,在储气装置内压缩湿空气的宏观质量和能量方程基础上,考虑水发生相变时与质量变化速率相关的多种物性和状态参数的影响,对现有的热力学模型进行修正,并建立与相... 详细信息

为了探究储气装置充气气体状态对压缩空气储能过程中热力学参量的影响规律,在储气装置内压缩湿空气的宏观质量和能量方程基础上,考虑水发生相变时与质量变化速率相关的多种物性和状态参数的影响,对现有的热力学模型进行修正,并建立与相变速率有关的两个无量纲数。在对比验证模型计算准确性的基础上,计算了4种储气装置入口水蒸气质量分数,即含水量不同的充气过程。研究结果表明:在水蒸气质量分数为0~0.03时,储气装置入口气体含水量对储气装置内湿空气的压力影响不大,但是对于温度的影响较大;储气装置充入的湿空气达到饱和状态后发生冷凝现象,而空气对流和环境压力升高的综合作用导致产生的液态水蒸发,储气装置内冷凝水量远大于蒸发水量;由于相变会影响储气装置内(火用)值的增加量,这使得储气装置内(火用)的增加量在充气50 min时高于充入干空气的工况。因此,可根据所提的两个无量纲数表达式及物理意义,分别评估冷凝的速率和储气装置内不同相态水的占比,最终计算入口气体含水量对储气装置内(火用)的影响。

关键词：储气装置湿空气充气过程蒸发冷凝

曲面双层壁结构的内外复合流动及综合冷却特性数值研究

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西安交通大学学报 2025年第2期59卷 50-60页

作者：张垲垣栗智宇李志刚李军西安交通大学能源与动力工程学院西安710049

针对双层壁在曲面条件下的内、外流动与冷却耦合特性不明晰的问题,在3种典型冷气吹风比0.4、0.6和0.8下,采用共轭传热数值模拟方法及实验验证,研究了平面和凹、凸曲面双层壁的内、外流动相互影响规律和综合冷却特性。结果表明,曲面显著... 详细信息

针对双层壁在曲面条件下的内、外流动与冷却耦合特性不明晰的问题,在3种典型冷气吹风比0.4、0.6和0.8下,采用共轭传热数值模拟方法及实验验证,研究了平面和凹、凸曲面双层壁的内、外流动相互影响规律和综合冷却特性。结果表明,曲面显著改变了双层壁的孔内入侵、冲击腔室横流和外壁冷气贴壁特性。低吹风比下,凹面双层壁的气膜孔出流面积最大,冲击驻点区域的冷气横流强度和换热效果显著提升,外壁平均综合冷效能够达到0.54;凸面双层壁的下游气膜冷却和冲击冷却有所增强,同时主流入侵能够到达气膜孔下部;高吹风比下,凹面双层壁气膜孔下方冷气出流区的二次涡面积最大,出射角增加导致气膜孔下游冷却效率略低;凸面双层壁冲击腔内冷气向上游回流最弱,在冲击腔内获得最强的横流累积效果,凸壁面平均综合冷效在第4排孔能达到0.73。研究结果对于叶片等曲面部件的双层壁结构布局设计具有指导意义。

关键词：曲面双层壁流动交互气膜冷却冲击冷却

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过冷水中蒸汽射流自旋凝结的实验研究

西安交通大学学报 2025年第2期59卷 23-31页

作者：丛红钏韩沛东周子棋孙中国席光西安交通大学能源与动力工程学院西安710049

针对蒸汽射流自旋凝结过程中的复杂流动和相变展开实验研究,采用新型X型旋流压力喷嘴实现了蒸汽射流的自旋流动,分析了不同流量下旋转气泡的冷凝模式以及相关参数的演化规律,包括气泡半径、生长速率、溃灭速率、气泡质心最大迁移速度和... 详细信息

针对蒸汽射流自旋凝结过程中的复杂流动和相变展开实验研究,采用新型X型旋流压力喷嘴实现了蒸汽射流的自旋流动,分析了不同流量下旋转气泡的冷凝模式以及相关参数的演化规律,包括气泡半径、生长速率、溃灭速率、气泡质心最大迁移速度和溃灭频率。结果表明:蒸汽射流自旋凝结可划分为光滑生长气泡机制、过渡气泡机制和粗糙生长气泡机制。在离心力作用下,凝结过程中可能出现颈部螺旋发展和气泡顶部凸起不规则变形等典型行为。随着质量流量的增加,气泡冷凝时间缩短,生长速率有所增加,气泡半径和溃灭速率呈现非线性变化,气泡质心最大迁移速度范围为24.3~73.23 m/s,气泡溃灭频率为20~302 Hz。同一质量流量下,气泡可能在不同方向上发生冷凝并出现之字形运动轨迹。气泡质心偏离喷嘴中心轴线角度增大,有助于减小气泡溃灭过程中发生回弹的次数,对气泡生长速率、溃灭速率和气泡质心最大迁移速度产生非线性影响。研究结果可为开发和优化相关工业领域中的冷凝技术提供重要的理论依据。

关键词：旋转蒸汽射流 X型旋流压力喷嘴气泡凝结特性

循环周期对称结构中的能带结构及其动力学特性研究

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力学学报 2025年第1期57卷 199-211页

作者：李玥潇史伟康武伟黄腾龙张家忠西安交通大学能源与动力工程学院西安710049

针对叶轮这一类循环周期对称结构在服役中常出现的局部损坏及振动局部化问题,在链式周期结构的能带理论基础上,通过建立环向周期结构原胞中弹性波传播问题的计算方法,得到了整体循环对称结构的能带结构及其独特动力学特性,并揭示了振动... 详细信息

针对叶轮这一类循环周期对称结构在服役中常出现的局部损坏及振动局部化问题,在链式周期结构的能带理论基础上,通过建立环向周期结构原胞中弹性波传播问题的计算方法,得到了整体循环对称结构的能带结构及其独特动力学特性,并揭示了振动局部化的形成机制.首先,采用Euler-Bernoulli梁模型和Kirchhoff板模型对离心叶轮较薄的区域进行力学建模,同时根据对应的力学假设和边界条件对弯曲波方程进行求解;进一步,推导出了弯曲波沿周向波导传播的传递矩阵并计算了有限空间Lyapunov指数,结果表明:经典Euler-Bernoulli梁模型无法准确描述弯曲波沿周向波导的传播规律,而Kirchhoff板模型可以在较宽的范围内给出5000 Hz附近的带隙;最后,采用有限元方法对离心叶轮结构的能带结构进行了数值计算,并对计算结果进行了分析研究.结果表明:该离心叶轮中存在能带结构,并具有3个“驻波型”带隙和1个“局域共振”带隙.其中,“局域共振”带隙的存在是离心叶轮中出现振动局部化现象的原因之一,即当外界作用在离心叶轮上的激振力频率落入“局域共振”带隙范围内时,弯曲波在周向的传递受阻,能量聚集于部分叶片上,表现为“周期性循环对称破缺”.研究结果揭示了循环对称结构动力学的独特特性,能够为进一步完善离心叶轮的减振及气动/结构协同设计准则提供理论基础.

关键词：周期循环结构离心叶轮能带结构带隙振动局部化

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冷却条件下液态铅横流管束流动传热特性研究

核动力工程 2025年第1期46卷 116-127页

作者：李良星许向阳向祖涛石尚雷振欣西安交通大学动力工程多相流国家重点实验室西安710049

液态金属冷却剂在主换热器内的流动传热特性对铅冷快堆的高效安全经济运行具有重要影响。本研究针对螺旋盘管式换热器中管束布置特征,建立了液态铅横流管束二维分析模型,对比分析了适用于液态铅横流管束流动的湍流普朗特数模型,采用数... 详细信息

液态金属冷却剂在主换热器内的流动传热特性对铅冷快堆的高效安全经济运行具有重要影响。本研究针对螺旋盘管式换热器中管束布置特征,建立了液态铅横流管束二维分析模型,对比分析了适用于液态铅横流管束流动的湍流普朗特数模型,采用数值模拟方法研究了液态铅横流冲刷换热管束的流动传热特性。结果表明,随着入口雷诺数的增大,液态铅在管间的时均速度分布曲线下凹程度增加,回流区内无量纲壁温的差异增大,并且涡旋对管壁180°附近区域的扰动增强。液态铅在横掠管束时的综合流动换热性能与螺旋盘管横向节径比呈正相关关系,与进口雷诺数呈负相关关系。基于数值模拟研究结果提出了液态铅横流错排管束的传热关联式,其预测误差在10%以内。

关键词：铅冷快堆液态铅横流管束流动传热特性主换热器

同方期刊数据库

超临界循环流化床锅炉深度调峰时水冷壁流动不稳定特性计算分析

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西安交通大学学报 2025年第1期59卷 68-77,92页

作者：李维腾郭泽瑞韩磊杨冬西安交通大学动力工程多相流国家重点实验室西安710049

针对深度调峰时超临界循环流化床锅炉水冷壁管道内的汽液两相流动不稳定问题,提出了一种适用于不同工况的频域法数学模型。通过对质量、能量、动量方程进行小扰动线性化后经拉普拉斯变换得到了用于描述管道内汽液流体流动稳定性的传递函... 详细信息

针对深度调峰时超临界循环流化床锅炉水冷壁管道内的汽液两相流动不稳定问题,提出了一种适用于不同工况的频域法数学模型。通过对质量、能量、动量方程进行小扰动线性化后经拉普拉斯变换得到了用于描述管道内汽液流体流动稳定性的传递函数,通过图解奈奎斯特图的方法判断管内工质流动的稳定性。然后,通过该模型计算了某350 MW超临界循环流化床锅炉水冷壁管段的不稳定边界并研究了不同参数对流动不稳定特性的影响。计算结果表明:所选回路在20%和50%锅炉最大连续蒸发量负荷发生流动不稳定时,热负荷分别为76.09 kW·m^(-2)和113.52 kW·m^(-2),水冷壁管道流动稳定且安全;入口过冷度对临界热流密度的影响呈非单值性;增大质量流速使流体的进口和出口密度差减小,有利于流动的稳定;增大入口节流系数,可以抑制入口处流量的脉动,有利于流动的稳定;在不同的工况条件下,改变管段倾斜角度会对流动稳定性产生不同的影响。

关键词：深度调峰流动不稳定性频域法超临界循环流化床锅炉

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电极振动对光电催化分解水气泡动力学的影响

西安交通大学学报 2025年第2期59卷 13-22页

作者：徐强聂腾飞叶星淼佘永璐罗欣怡王孟莎郭烈锦西安交通大学动力工程多相流国家重点实验室西安710049

为解决光电催化分解水反应器中气泡长时间附着于光电极表面,从而导致有效活化面积减少和产气效率下降的问题,构建耦合振动系统的光电分解水制氢气泡动力学可视化实验平台,提出通过给电极施加不同振幅和频率振动以加速气泡脱离光电极表... 详细信息

为解决光电催化分解水反应器中气泡长时间附着于光电极表面,从而导致有效活化面积减少和产气效率下降的问题,构建耦合振动系统的光电分解水制氢气泡动力学可视化实验平台,提出通过给电极施加不同振幅和频率振动以加速气泡脱离光电极表面的方法。首先,记录静止电极表面单个气泡演化过程中的电信号和几何参数;然后,对比不同频率及振幅下气泡生长过程中电流和电势的变化情况;最后,分析振动对气泡几何特性的影响。研究结果表明:振动频率和振幅的增加能够提高反应过程中的光电流,降低电势,使得反应阻力下降;增加振动频率和振幅均能显著减小气泡脱离尺寸,从而加速气泡的脱离;当振动频率为70 Hz时,施加振动后气泡的脱离直径比无振动时最大减小了321μm,减小幅度约为48%;施加振动后,气泡直径为生长时间的幂函数,且气泡生长依次受惯性和化学反应控制。该研究可为光电催化分解水反应器的优化设计提供新思路。

关键词：气泡脱离振动频率光电催化分解水振幅

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太阳能反应器内废盐有机杂质热解特性研究

西安交通大学学报 2025年第2期59卷 115-126页

作者：董镇鲛陶于兵叶豪何源贾浩洋西安交通大学未来技术学院西安710049 西安交通大学热流科学与工程教育部重点实验室西安710049

为了解决有机杂质阻碍废盐回收利用的问题,基于槽式太阳能聚光器和管式反应炉,建立有机物热解反应器模型,采用光热耦合方法研究了反射镜深度、焦距和反应器外部直径对系统能量分布及有机物热解特性的影响。研究结果表明:随着反射镜深度... 详细信息

为了解决有机杂质阻碍废盐回收利用的问题,基于槽式太阳能聚光器和管式反应炉,建立有机物热解反应器模型,采用光热耦合方法研究了反射镜深度、焦距和反应器外部直径对系统能量分布及有机物热解特性的影响。研究结果表明:随着反射镜深度从100 mm增加到1000 mm,聚光器平均聚光比增加7.34,但光学效率降低0.52%,反应器最高温度和最低温度均呈上升趋势,温差在100 K左右,热解反应时间缩短,系统热效率提高约10.71%;随着反射镜焦距从100 mm增加到1000 mm,热流密度更加集中,最大聚光比增大21.03,光学效率降低0.53%,反应器最低温度变化不大,但最高温度和温差呈线性增长,温差从31.45 K增大到222.56 K,系统反应速率和热效率升高;随着反应器外部直径从14 mm增加到104 mm,热流密度降低,平均聚光比从34.75减小到4.71,光学效率提高0.53%,温差从52.13 K升高到114.32 K,反应速率和热效率均降低,单位体积废盐的热解时间从5.26 s·cm^(-3)减小到1.29 s·cm^(-3)。研究结果对废盐热解反应器的参数设计和优化具有重要意义。

关键词：太阳能反应器能量分布光热耦合有机物热解