工程热物理学报

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徐静, 潘权稳, 张威, 刘智亮, 葛天舒, 王如竹

工程热物理学报. 2024, 45(1): 1-6.

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回收低温质子交换膜燃料电池运行过程中产生的约70^◦C 低品位废热实现高效制冷是提高冷电联供系统总效率的关键。本文研制并搭建了吸附制冷与固体除湿空调复合系统实验平台，利用燃料电池余热驱动实现高效制冷除湿。实验结果表明，复合系统能有效被70^◦C 低品位余热驱动。提高入口空气的温度或相对湿度能有效提升系统性能，制冷量和COP 分别达3.95 kW和0.539。经计算，采用该复合系统回收利用燃料电池产生的70^◦C 低品位余热能大幅提高系统总效率，可达67.3%。

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利用主动活塞调相的双温区脉管制冷机环境适应性研究

惠贺军, 宋键镗, 蒋珍华, 殷旺, 刘少帅, 吴亦农

工程热物理学报. 2024, 45(1): 7-12.

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为满足双温区制冷需求，通过单压缩机驱动80 K 和40 K 双温区冷指，且双冷指均采用主动调相器调节冷指内相位差分布，可在实现制冷机轻量化的同时，在双温区高效率制冷。本文基于双温区主动调相脉管制冷机，在制冷机环境温度和调相器相位差发生变化时，分别从制冷机内双冷指声功分配、回热器冷端相位差和制冷量变化特性的角度，开展了数值计算分析和实验验证研究。研究结果表明，制冷机在环境温度变化时，通过主动调节调相器活塞运动相位差，双温区冷指能够保持高效率制冷，实现制冷机对环境温度的主动适应。

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模型预测控制在电池二次冷却系统中应用研究

张腾, 李明佳, 李冬, 张延蕾, 阎凯

工程热物理学报. 2024, 45(1): 13-19.

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本文针对动车电池二次冷却系统，提出一种基于模型预测控制(Model Predictive Control) 算法的电池冷却系统控制策略。研究主要针对电池二次冷却系统，设计了MPC 控制策略和比例积分(Proportion Integration) 控制策略，并对比了两者在电池冷却速率方面的控制效果。在电池充放电速率分别为20 A 和30 A 的工况下，MPC 控制策略的电池温度达到稳定时间分别为37 s 和63 s，而PI 控制策略的电池温度达到稳定时间分别为280 s 和500 s。结果表明采用MPC 控制策略相较于PI 控制策略，MPC 控制策略能够使电池冷却速度显著加快，控制系统具有更优的鲁棒性和适应性。

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准饱和NaCl 水溶液喷射闪蒸–掺混蒸发(FME) 中析晶过程的研究

郑巨淦, 张丹, 杨越, 杨庆忠, 袁洋

工程热物理学报. 2024, 45(1): 20-31.

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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∼200 μm、初始温度为100∼120^◦C、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^◦C，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。

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含3×3 花瓣形燃料棒组件的自然循环系统多尺度耦合模拟研究

蔡伟华, 李智明, 崔军, 张文超, 金光远, 孙建闯

工程热物理学报. 2024, 45(1): 32-39.

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花瓣形燃料棒组件由于其优良的传热性能受到国内外广泛关注。为获得花瓣形燃料棒组件在自然循环条件下的流动特性，本文对含3×3 花瓣形燃料棒组件的自然循环系统开展了多尺度耦合模拟研究。基于一维用户程序和STAR-CCM+ 构建自然循环系统的一维和三维耦合数值模型，并结合实验结果进行了模型验证。重点分析了加热功率和高差对自然循环能力、花瓣形燃料棒组件阻力系数的影响。结果表明，系统排热功率与冷热源高差满足幂函数分布形式。通过引入黏度修正因子和结构影响因子，获得花瓣形燃料组件在宽Re 数范围，不同螺距、加热和冷态条件下的阻力系数关联式的通用表达式形式，并基于模拟和公开实验数据验证了其可靠性。

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蒸汽热网辅助热电联产机组调频性能研究

王娜, 马国锋, 王宇, 刘明, 严俊杰

工程热物理学报. 2024, 45(1): 40-45.

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提高火电机组调峰调频能力是我国构建新型电力系统的迫切需求，利用工业蒸汽热网蓄能有望提升热电联产机组的调频性能。本文采用GSE 软件建立了蒸汽热网动态模型，研究了蒸汽热网辅助调频过程中热网蒸汽压力、蓄能及机组输出功率的动态变化规律。结果表明，研究对象蒸汽热网的最大调频持续时间为400 s，供汽阀门关闭，机组最大功率增量为33 MW，连续五次关闭阀门可获得1111 MWh 额外累计发电量。

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基于高效高精度离散伴随方法的叶轮机叶片气动优化设计

吴航空, 王丁喜, 黄秀全

工程热物理学报. 2024, 45(1): 46-57.

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精确的灵敏度信息是开展高效伴随优化设计的关键。首先在课题组自主研发的雷诺平均纳维-斯托克斯方程的基础上，借助源代码转化类型的自动微分软件-Tapenade 开发离散伴随求解器。然后着重研究流场求解器收敛特性、伴随求解器收敛特性、“定黏假设” 方法和四种不同灵敏度计算方法对离散伴随灵敏度求解精度的影响，并总结高效高精度灵敏度求解方法的经验，为后续开展高效伴随优化设计奠定基础。最后以跨声速转子NASA Rotor 67 为研究对象开展叶轮机气动优化设计，并采用商业软件NUMECA 对优化结果进行校核，验证优化结果的可靠性及有效性。

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球窝抑制层流分离的大涡模拟研究

杨鹏骋, 陈绍文, 王松涛, 陈帅彤

工程热物理学报. 2024, 45(1): 58-66.

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通过大涡模拟方法研究了球窝对低雷诺数下高负荷低压涡轮叶栅吸力侧层流分离的抑制效果和抑制机理，并将其和准二维的U 型槽结构进行了对比分析。研究发现，低雷诺数下球窝通过产生周期性脱落的旋涡结构有效地促进了分离剪切层内展向涡的卷起和破碎，促进了转捩进程，因而可以有效抑制分离，在45000 雷诺数下使损失相对减小了25.4%。同时和准二维结构相比，球窝产生的三维流动结构可以更有效地促进转捩进程，具有更好的流动控制效果。

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跨音压气机总温畸变下数值模拟研究

赵红亮, 邱佳慧, 张敏, 杨晨, 杜娟, 聂超群

工程热物理学报. 2024, 45(1): 67-76.

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为了研究进气总温畸变对轴流式跨音压气机性能和稳定性的影响，以达姆施塔特跨音压气机为研究对象，针对不同周向范围的总温畸变区进行了冻结转子法稳态和瞬态转静法非稳态的三维全环数值模拟研究。结果表明：在设计转速条件下，高温畸变区的周向范围越大，冻结转子法稳态和瞬态转静法非稳态计算结果的差距越小；在高温畸变区周向范围为180^◦ 时，通过对最高效率工况点的内部流场分析，发现冻结转子法稳态计算无法准确捕捉畸变区的周向偏转；高温畸变区的周向范围较大时，平行压气机理论模型对近失速工况点的预测值更接近非稳态计算结果；通过对非稳态时均结果进行轨道法分析，发现高温畸变区的周向范围越大，不同周向位置处的转子叶片的运行特性差异越大。

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不同展向位置非连续鼓包对跨声速压气机转子性能的影响

杨嗣涵, 杨旭东, 韩吉昂, 郭重佳

工程热物理学报. 2024, 45(1): 77-84.

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为提高跨声速压气机气动性能，本文针对NASA Rotor 37，采用数值模拟方法研究了吸力面不同展向位置非连续鼓包对其气动性能的影响。结果表明，随着非连续鼓包逐渐靠近叶顶，鼓包能更有效地对激波前气体进行预压缩，降低逆压梯度，从而减小激波强度。同时对于激波与附面层的相互作用的抑制效果也逐渐增强，能有效地使激波干扰所产生的附面层分离延后，改善流动情况，降低损失。相比原型转子，在60%∼90% 叶高范围布置非连续鼓包时，压气机转子效率在整个流量范围内均有提升，最高效率增加了0.25%，总压比提升了0.13%。

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均匀来流下吊舱推进器伴流场及激振力特性研究

余翔, 赖元庆, 李国平, 高波, 张宁, 倪丹

工程热物理学报. 2024, 45(1): 85-92.

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为了探究均匀来流下吊舱推进器的伴流场分布情况和吊舱推进器的激振力特性，本文基于延迟分离涡模型(DDES) 对不同进速系数下的吊舱推进器进行均匀来流下的非定常敞水数值模拟，获得了不同工况下的伴流场分布情况和螺旋桨推力、扭矩及吊舱表面压力脉动特性。研究表明：吊舱诱导伴流场在桨盘面存在不均匀性，对比不同半径处伴流分数的谐调分量，发现一阶谐调分量幅值最高；螺旋桨上激振力分布与伴流场分布存在相关性，螺旋桨上的单个叶片受激振力影响较大，且表面力特征频率主要为叶频；吊柱表面左、右侧的压力脉动呈现非对称性，螺旋桨诱导涡对其表面压力脉动产生的影响不容忽视。

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基于最大李雅普诺夫指数异常感知和CatBoost 识别的机械密封失效模式层次化诊断框架

侯耀春, 周昶清, 武鹏, 何伟挺, 赵奂芃, 黄文君, 吴大转

工程热物理学报. 2024, 45(1): 93-100.

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离心泵在现代工业生产中具有广泛的应用，其运行状况和健康程度直接影响着整个系统的能耗、效率和安全。机械密封泄漏或损坏是水力旋转机械最典型的故障之一，与机封失效相关的泵类设备故障问题直接影响系统总体的可靠性和安全性。为此，本论文研究了一种基于最大李雅普诺夫指数异常感知和CatBoost 识别的机械密封失效模式层次化诊断框架。首先，对采集的机械密封处振动信号序列提取其最大李雅普诺夫指数，并基于模糊统计法和指派法设计Type-1 模糊逻辑，从而实现对机械密封故障的异常检测和感知。接着，一旦检测到机封异常，再从原始振动信号中提取多尺度模糊熵，联同最大李雅普诺夫指数一起输入到CatBoost 模型进行机械密封失效模式识别和诊断。最后，基于实际实验数据对所提出的层次化诊断框架进行了验证。结果表明，所提出的方法对机封故障的异常检测精度达到100%，CatBoost 模型的机封失效模式识别率达到99.66%，其精度和鲁棒性均好于支持向量机、AdaBoost、深度神经网络等智能模型。

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侧斜参数对喷水推进泵性能的影响研究

望喻虎, 郑枫川, 陈泰然, 黄彪, 王国玉

工程热物理学报. 2024, 45(1): 101-106.

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侧斜是螺旋桨水力设计中的重要参数，也对与螺旋桨相似的喷水推进泵的性能有着重要的影响。本文在原有的喷水推进泵水力模型的基础上改变侧斜分布获得了三种不同侧斜分布的喷水推进泵水力模型，使用数值模拟的方法获得了喷水推进泵的外特性、内部流场和空化特性。研究结果表明，原型泵在马鞍区和小流量区运行时性能表现更好, 而增大侧斜的C 型泵在大流量区的性能表现更好。通过改变侧斜可以改变空化发生的位置和空化面积，提高空化性能。

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重型燃气轮机排气温度研究

苏鹏飞, 赵世全, 方宇

工程热物理学报. 2024, 45(1): 107-114.

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本文针对某300 MW 等级重型燃气轮机透平排气温度，构建了燃机性能计算模型，该模型除了包含常规燃机性能计算的功能外，加入了透平叶片材料、燃烧器OTDF&RTDF 及叶片冷却流量对燃机性能的影响功能，应用该燃气轮机性能计算模型预测了L20A 及M701F3 的燃机性能，排气温度的预测精度在3^◦C 以内。分析了压气机压比、压气机效率、燃烧器压损、燃烧器出口温度分布、透平级数、透平效率、透平叶片材料及冷气流量等参数对透平排气温度的影响规律，结果显示压气机压比、燃烧器出口温度分布、透平级数及效率、透平叶片材料及冷气流量对燃机透平排气温度影响较大，其中又以透平级数的设计选择对排气温度影响最大。在燃机设计时需要考虑到这些关键影响因素，使排气温度最终达到综合最优。

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基于Ti 原子杂化微孔晶体结构的CO₂ 吸附特性和电荷转移机理研究

杨宁, 刘振宇, 郝敬洋, 周云龙

工程热物理学报. 2024, 45(1): 115-121.

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替换SIFSIX 类杂化微孔材料的金属位点或有机配体可以合成大量具有不同孔径的化合物，TiF₆²⁻ 配体对CO₂ 吸附和电荷转移特性的影响机理尚不充分。本研究以此为背景在SIFSIX-3-Zn 的基础上将SiF₆²⁻的Si 原子替换为Ti 原子，构建了TiFSIX-3-Fe 和TiFSIX-3-Zn 模型，通过DFT 分析了TiFSIX-3-M(TiF₆²⁻ 为离子配体，M 为金属位点，M=Fe/Zn) 中CO₂ 在孔道内的吸附与电荷转移行为，计算了孔道内的CO₂ 吸附位点、能带结构、吸附能、差分电荷密度、Mulliken 电荷分布。研究结果表明：TiFSIX-3-Fe 和TiFSIX-3-Zn 具有更小的孔道体积，分别为1.26×10⁵ nm³ 和1.22×10⁵ nm³。Ti 原子加入改善了TiFSIX-3-Fe 的能带结构，但对TIFSIX-3-Zn 影响不明显。Ti 构建的两种模型的吸附能最高分别为−0.356 eV和−0.361 eV。差分电荷密度表明电荷从F 原子附近向C 原子转移，结合Mulliken 布居分析得到构型中电荷转移数量分别增大至0.072 e 和0.075 e，TiFSIX-3-Fe 和TiFSIX-3-Zn 的CO₂ 吸附和电荷转移特性显著增强。本工作为开发具有高效CO₂捕集能力的杂化微孔材料提供了理论指导。

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带肋方腔中单极注入诱导的电对流数值模拟研究

彭权, 周鑫, 王宏, 朱恂, 陈蓉, 丁玉栋, 廖强

工程热物理学报. 2024, 45(1): 122-128.

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本文设计了带不同形状肋片的二维方腔电对流物理模型，基于OpenFOAM 的FVM 框架耦合求解Navier-Stokes 方程、电势的Poisson 方程以及电荷守恒方程，研究了带肋方腔电对流的形成机制及流动特性。研究结果表明：带肋方腔肋片表面因电场强度较大成为主要的电荷注入区域，最终形成了中轴线处的电羽流以及两侧对称的电荷空白区，流场为主体双涡对称、四角分布角涡；随着电瑞利数T 的增大，电对流强度提高，当T 超过某一阈值T_c 时，电对流流型从稳定状态转变为不稳定状态；在强化电对流和稳定流型方面，带矩形肋方腔均具有最优性能，其电对流强度比带三角肋方腔提高了12.8%。

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电场调控剪切流场内液滴形变特性研究

郝冠球, 刘向东, 陈永平

工程热物理学报. 2024, 45(1): 129-134.

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本文通过高速可视化方法与数字粒子图像测速技术，实验研究了电场调控剪切流场内液滴形变及旋转特征并阐明了其产生机理，讨论了电场及剪切流场独立和耦合作用时对液滴形变的影响规律。研究表明：单一剪切流场及单一电场均可以调控乳液形变，其形变程度由工质物性参数及剪切流场的毛细数和电场的电毛细数决定。当液滴相与连续相电导率比R 大于介电常数比S 时，电场力、剪切流场黏性力及表面电荷对流之间相互合作促进液滴变形。而当R 小于S 时，电场力与黏性力促进液滴变形，但是表面电荷对流效应将抑制液滴变形。此外，剪切流场中乳液内部形成涡流，当R>S 及R<S 时，电场分别增强和降低液滴内部涡流强度。

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含重力多相流系统的离散玻尔兹曼建模

王霜锷, 林传栋, 严微微, 苏咸利, 杨立臣, 孙佳坤, 孙笑朋

工程热物理学报. 2024, 45(1): 135-142.

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本文提出了适用于含重力多相流系统的离散玻尔兹曼模型(DBM)。该模型基于动理学理论，使用形式统一的离散Boltzmann方程描述多相流的演化过程。在方程右侧，加入相变源项用于描述相变现象，同时引入了外力项，用于描述重力场的影响。该DBM 使用二维33 速模型，此速度模型是基于Hermite 多项式理论建立的。通过Chapman-Enskog 多尺度分析可以证明，该DBM 除了能够恢复包含分子间相互作用和外力的Navier-Stokes 方程组之外，还具有描述一定热力学非平衡行为的功能。最后，通过四个数值算例(自由落体，气液共存曲线，Sod 激波管，气泡融合) 验证DBM 的正确性。

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Ca(OH)₂ 脱水过程数值研究及强化

张严心, 王梦祎, 陈黎, 周宇昊, 陶文铨

工程热物理学报. 2024, 45(1): 143-151.

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建立了Ca(OH)₂/CaO 反应器脱水过程的多孔介质流动换热模型，对Ca(OH)₂/CaO 热化学储能系统的脱水过程进行了三维数值模拟研究，分析了储能系统在脱水过程中温度、反应物浓度的动态变化，并针对该反应系统设计了一系列强化传热传质措施，通过增加多种类型翅片、添加多孔通道及金属板、改变反应器高径比、采用圆台型反应器来强化传热及传质，分析了各种工况下储能系统的温度、压力变化情况。结果表明：添加翅片有利于强化反应器的传热性能，提高脱水过程速率；添加多孔通道一方面可以强化传热，另一方面多孔结构可以作为水蒸气的扩散通道，减小水蒸气扩散阻力，强化传质；在孔隙率不变的前提下，增大反应器高径比会强化反应器的传热性能，但是会增加水蒸气扩散阻力。改变反应器高径比会对反应器传热及传质性能产生影响；采用圆台型反应器时，其脱水反应的快慢取决于反应器最大截面处的反应速率大小。相比于传质，传热对圆台反应器的脱水过程起主要影响；对于研究尺寸下的反应器，强化传热对反应系统性能的提升作用优于强化传质。研究结果可为热化学储能反应器的结构优化与性能提升提供一定的参考价值。

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颗粒堆积床辐射–导热耦合传热等效导热系数参数化分析

付金余, 罗明罡, 赵军明

工程热物理学报. 2024, 45(1): 152-156.

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颗粒堆积床在高温气冷堆等工业生产中有重要应用。对于事故下颗粒床核反应堆被动冷却的安全性分析，热辐射是最重要的传热机制。本文以表征颗粒堆积床辐射–导热耦合传热过程的传热特性的等效导热系数为研究对象，采用反向离散坐标光线追踪法与有限体积法结合求解颗粒床内热辐射–导热耦合传热，获得等效导热系数。与半经验模型进行对比并分析颗粒直径、颗粒导热系数和发射率对等效导热系数的影响。结果表明，长短程模型相比较其它模型，可以更好地预测颗粒床的等效导热系数，并且随着颗粒直径、颗粒导热系数以及发射率增加，颗粒床的等效导热系数显著增加。研究结果有助于理解颗粒堆积床中的辐射传热作用，为颗粒堆积床传热分析提供参考。

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纳米孔内的吸附过程及其动力学特性研究

何转桃, 吴春梅, 李友荣

工程热物理学报. 2024, 45(1): 157-162.

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为了阐明气体在纳米多孔结构内的吸附及动力学过程，采用分子动力学方法建立了纳米多孔材料的吸附与解吸模型，探究了氩气在多孔结构表面的吸附特性，并对其吸附与解吸的动力学特性进行了分析。结果表明：纳米孔内的吸附机制有两种：一是吸附层生长过程中，相对壁面的吸附层不断靠近后孔内发生的液体桥接。二是孔隙内发生毛细管凝结后引起的弯月面推进。低压比时，吸附层持续增长，压比增加时孔隙内观察到液体桥接效应，由于液膜表面不稳定出现液桥的生长与收缩断裂；高压比时，纳米孔入口附近形成稳定的液桥，孔隙内出现空腔，空腔内的快速吸附可导致液体的二次桥接，这种现象不断重复直至空腔被填满。另外，解吸过程是在弯月面后退和空化作用下进行的。

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喷雾冷却孤立液膜速度特性实验研究

赵霄, 赵聿章, 陈引, 张博, 张海峰

工程热物理学报. 2024, 45(1): 163-172.

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液膜流动是喷雾冷却复杂热量传递过程的直接载体，因此，液膜动力学特性研究对理解喷雾冷却的传热机理至关重要。但由于雾化液滴与具有高湍流度薄液膜之间存在的强烈相互作用和扰动，研究者们对液膜在表面的演化过程知之甚少。本文研究了不同热流和压力下两相区HFE-7000 在光滑表面液膜分布、流动速度和当量直径等特性。测量了不同工质在不同喷射压力下雾化液滴速度空间分布，并提出了经验预测关联式。测量了孤立液膜流动速度及其当量直径，同时求解了孤立液膜韦伯数分布及其平均值。最终，基于雾化液滴径向速度与孤立液膜速度的有机联系，结合表面温度梯度等条件，提出了孤立液膜平均速度和平均韦伯数的预测方法，相应的预测极限分别小于21.52% 和4.3%.

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四叶片式LPD 静态混合器内湍流传热强化特性

禹言芳, 宋睿, 李毓, 刘桓辰, 孟辉波

工程热物理学报. 2024, 45(1): 173-185.

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本文在雷诺数为2639∼17599 的恒热流边界条件下，通过实验和数值研究分析偏转角(α)、位错角(β) 和间距比(l/D)三个几何参数对四叶片式LPD 静态混合器内的换热和湍流流动特性的影响。采用速度场与温度场的协同性、对流换热系数和局部努塞尔数(Nu_local) 等参数分析四叶片式LPD 静态混合器内传热强化性能。结果表明：采用SST k-ω 湍流模型预测四叶片式LPD 静态混合器湍流流动和传热是可靠的；通过正交设计表和极差分析方法得到静态混合器的最优结构；随着α 的减小混合器内速度场与温度场协同性逐渐增强；考虑到Re 和α 之间的耦合作用，提出在湍流条件下四叶片式LPD 静态混合器的Nu 和f 的经验关联式；当叶片宽度与直径比(w/D) < 0.2 时，PEC 值最大。

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增材制造高性能微通道换热器模块化单元传热与压损实验

吕玥萱, 肖克华, 饶宇

工程热物理学报. 2024, 45(1): 186-193.

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面向微型燃气轮机能效提升迫切需求，针对其回热循环工况设计了一款适合应用增材制造技术加工的高性能微通道回热器。结合逆流式换热器的基础研究与金属增材制造的特点，设计了模块化的波纹板微通道换热器单元，采用激光选区熔融技术(SLM) 完成不锈钢样机加工，并使用自行搭建的实验系统对其进行了性能测试。样件具有52 个高度为0.7 mm 的换热微通道，紧凑度超过1700 m²/m³。实验测试表明，该增材制造换热器在相对压损小于2% 的条件下，平均Nu 数相比传统方式加工的平板原表面换热器可提升88.9%，其关键性能参数在现有紧凑式换热器中具有先进性。

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低温贮箱中相变过程高效率瞬态数值模拟方法

左忠琪, 邹震峰, 蒋文兵, 黄永华

工程热物理学报. 2024, 45(1): 194-198.

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闭口低温贮箱在超低热流密度作用下的自增压瞬态过程模拟通常需要耗费巨量的计算资源。使用常规硬件和现有通用CFD 商业软件求解此类长周期瞬态模拟往往耗时过长。本文基于OpenFOAM 开源计算流体力学平台，提出了针对贮箱内气液相变引起的自增压瞬态过程的快速计算模型，获得了相较于以往常用商业求解器Fluent 十倍以上的计算效率提升。同时，得到了模型系数在液氮贮箱自增压过程的取值规律。结果表明，本模型精度较以往热力学平衡模型显著提升。

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分级孔碳基复合电极热再生电池性能强化

安一超, 张亮, 蒋强, 李俊, 付乾, 朱恂, 廖强

工程热物理学报. 2024, 45(1): 199-204.

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本文以分级孔碳材料为基底构建Cu/C 复合电极，获得稳定的电极骨架和高电极比表面积，提升了热再生电池性能。实验对比研究了复合电极电池性能，探究了关键制备参数的影响。结果表明，采用复合电极电池最大功率密度(70.6 W·m⁻²) 相对于泡沫铜电池(32.2 W·m⁻²) 提高了119%，这主要是由于其比表面积的提升。在一定范围内提升碳化温度和造孔剂比例，能有效提高电极比表面积，电池性能也随之增大。考虑能量输入，制备Cu/C 复合电极的最佳碳化温度为800^◦C，最佳造孔剂比例为10 : 1，电池获得最大功率密度为87.2 W·m⁻²。

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红外测温探头防护性能数值模拟研究

叶志鹏, 李勋锋, 刘艳, 谭震宇, 淮秀兰

工程热物理学报. 2024, 45(1): 205-211.

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本文针对高温叶栅试验台的红外测温需求，设计了测温探头的防护结构，在尽量不干扰主流的前提下实现对测温探头的热防护与污染防护。通过CFD 计算，分析了该结构设计的合理性。对冷却空气入口总压的影响进行分析，发现入口总压过小，会造成探头的高温烧蚀，总压过大，则会对主流产生较大干扰。最后对冷却水入口流速进行分析，结果表明，探头的冷却效果随流速增大而增强，当流速大于2 m/s 时，冷却效果基本不随流速变化而变化。

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三维波纹板冲击/发散冷却结构流动及换热特性的数值研究

李国栋, 郭涛, 马钊, 刘存良, 孔德海

工程热物理学报. 2024, 45(1): 212-222.

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为了进一步提升冲击冷却的强化换热潜力，在典型冲击/发散结构的基础上提出了一种冲击板为三维波纹板的冲击/发散冷却结构。三维波纹板由横向(X) 及纵向(Y ) 的正弦波系叠加而成，冲击孔布置在正弦波的波谷位置。通过基于雷诺时均N-S方程的Realizable k-ε 湍流模型进行了冲击/发散结构的数值模拟，对比了平板结构与三维波纹板结构在射流流动及靶面换热特性上的差异并研究了波纹板波幅(A/d) 的影响规律。其中基于冲击孔直径d 定义的射流雷诺数的研究范围为Re_d=300∼3000，波纹板波幅的研究范围为A/d=0.5∼1.1，冲击孔的横向间距、纵向间距及冲击距分别为S/d=10.0，P/d=5.0，H/d=3.0。结果表明：与实验结果相比，Realizable k-ε 湍流模型能够对线平均及面平均努塞尔数(Nu_Ave,

) 给出准确的预测；三维波纹板结构相比平板结构降低了射流冲击靶面前的动量损失，显著提高了驻点附近的换热强度，当A/d=0.8 时，距冲击驻点1.5d范围内Nu_Ave 的最大增幅为32.3%；随着A/d 的增大，冲击驻点区的换热得到明显强化，但驻点区以外的换热基本不发生改变。改变A/d 对

的增益效果受到Red 的影响，在A/d=1.1 时，Re_d 由300 增大到3000 对应的

增幅由36.6% 降低为11.6%；随着Re_d 和A/d 的增大，流量系数(C_d) 逐渐增大，三维波纹板结构的流量系数大于平板结构，但增幅小于3%。

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基于KMC 方法的离解氧原子在硅基防热材料表面催化复合模型研究

李芹, 杨肖峰, 董威, 杜雁霞

工程热物理学报. 2024, 45(1): 223-229.

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为了精确模拟化学非平衡气流在高速飞行器表面的多相催化反应过程，进而提高气动热的预测精度，基于反应动力学机理和硅基材料表面的微观物性参数，发展了一种用于模拟多步催化反应过程的运动学蒙特卡罗(KMC) 模型，用于求解高焓离解气体在硅基材料表面的复合速率。模型将吸附、ER/LH 复合、热解附四种微观反应过程考虑在内，并从碰撞频率和反应系数两个角度给出各反应的相对概率，作为KMC 随机选取下一反应发生的依据。采用该模型计算的表面反应结果表明，LH 复合反应具有明显的空间效应，该效应在高壁面温度条件下更明显，导致KMC 模型预测的氧原子覆盖率低于基于均匀吸附表面假设的宏观模型的结果，且壁面温度越高相差越大。此外，研究发现ER 和LH 复合反应速率均随壁面温度的升高先增加后减小。KMC 模型可以为宏观CFD 计算提供更精确的催化壁面边界条件，用于气动热的精细化预测，为飞行器热防护系统的设计提供理论支撑。

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基于双电层作用的环境湿度差发电机理研究

严湖平, 刘珍, 綦戎辉

工程热物理学报. 2024, 45(1): 230-234.

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环境湿度分布不均在自然界中普遍存在，其中包含着大量可用能量。利用湿度差驱动纳米材料中的电子或自由离子的定向运动、从而产生电能是很有发展前景的。然而，自由离子在纳米材料内部通道中的传递过程尚不明确。为此，本文构建了考虑通道双电层作用的湿度驱动发电理论模型，通过Comsol Multiphysics 软件数值求解并进行了实验验证。结果显示，纳米材料内部通道对流经通道的自由离子具有选择透过性，其表面电位越大，离子选择性越强，电压输出越大。同时，通道长度越大，湿度差驱动下的电压输出性能越大，与实际发电器件的运行结果一致。该模拟可通过分析纳米通道内的离子分布，以预测不同种类和尺寸纳米颗粒的电压输出，为后续研究中的材料选择和装配提供指导。

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封装铜纳米线的碳米纳管热输运温度影响机制探究

邹瀚影, 邱琳, 冯妍卉, 张欣欣

工程热物理学报. 2024, 45(1): 235-240.

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碳纳米管的独特中空结构使其能够通过内部封装材料形成核壳结构，制备各种可调控功能性纳米器件。受限于纳米特征尺寸，有限的研究报道导致微观热输运机制尚不明晰，导致碳纳米管核壳结构的材料设计缺乏明确的理论支持。其中，管内封装金属纳米线的制备、调控和应用已经得到初步探索，作为一种典型的碳管核壳结构，其热输运特性及机制具有较强的研究价值。因此，本工作以铜金属为典型，探究碳管内封装铜纳米线结构在不同的加热温度下复合结构的热导率变化，并通过管内纳米线轨迹、温度分布、声子态密度和重叠能等进行热输运机制分析。

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硅基LHP 蒸发器传热特性研究

周东方, 陈岩, 柳洋, 秦宁, 辛公明

工程热物理学报. 2024, 45(1): 241-245.

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硅基环路热管作为一种高效两相传热装置可应用于集成电路热管理。本文设计并制备了一种硅基微柱阵列毛细结构以期用作硅基环路热管蒸发器，搭建了毛细蒸发实验系统，探究了热流密度以及工作角度等变化对蒸发器传热性能的影响。研究结果发现：热流密度越高，蒸发器启动速度越快，稳定运行温度越高；蒸发器在工作角度180^◦时的性能优于0^◦，在工作角度90^◦时的性能优于270^◦。本文关于硅基蒸发器性能研究可为后续相关环路热管的优化设计提供数据支撑。

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圆管瞬态换热的附加热容处理方法及热容影响分析

林远方, 杨世宇, 徐向华, 梁新刚

工程热物理学报. 2024, 45(1): 246-254.

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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。

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乘员行为对客舱流场与温度场分布的影响

余忠豪, 张超, 肖光明, 杜雁霞, 桂业伟

工程热物理学报. 2024, 45(1): 255-262.

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飞机客舱内气流组织分布的精细化预测是舱内热舒适性与生物安全研究的重要基础，由于涉及大尺度空间内强迫对流与自然对流共同作用下的复杂传热传质问题，目前仍面临巨大挑战。本文结合混合热格子玻尔兹曼方法(HTLBM) 和GPU 加速技术，发展了工程适用的舱内混合对流数值模拟方法，并开展了典型算例验证。以某民航飞机客舱为研究对象，对比分析了乘员行为对客舱内流场及温度场分布的影响规律。结果表明，过道位置有乘员站立时显著改变大尺度环流，增大了乘客位置自锁区域的形成，并进风口射流轨迹偏转，导致热量在过道附近聚集。

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超高热通量下非共沸不互溶混合物在多孔壁面微通道中的快速沸腾传热研究

孙波, 包雨晨, 李骥

工程热物理学报. 2024, 45(1): 263-270.

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本文提出了一种结构优化的具有大量亚微米成核点位的多孔壁面微通道两相换热器，并在流量50∼150 L/h 和热通量50∼400 W/cm² 的工况下，对HFE-7100 和HFE-7100/水的非共沸不互溶混合物的过冷流动沸腾特性进行了比较。结果表明，与HFE-7100 相比，HFE-7100/水的混合液在多孔微通道中的沸腾换热效率更高，换热器的结温更低，并且沸腾所需的壁面过热度更小。此外，二元混合物组分的体积比对两相传热特性有着显著影响，不同工况对应着一个基于热阻–泵送功率最小化原则的最佳体积比。

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基于三维层析方法的受限空间内喷雾测量

凌晨, 陈海岩, 伍岳

工程热物理学报. 2024, 45(1): 271-278.

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三维层析方法通过相机采集待测信号在空间各方向上的二维投影，利用层析算法重构其三维空间分布，具有时空分辨能力，是测量和评估发动机缸内扩散和燃烧的新兴技术。为了使该方法能适用于受限空间，我们通过光线逆向追踪法和斯涅尔折射定律建立受限空间内待测信号和投影之间的映射关系，开发了三维跨界面层析算法。本文使用该算法对连续变化的受限空间内喷雾信号进行了重构实验，并计算出了喷雾表面曲率、速度以及其间的耦合关系。

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铜基载氧体在化学链燃烧中的循环反应特性研究

朱晓, 沈来宏

工程热物理学报. 2024, 45(1): 279-285.

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载氧体在长周期的化学链燃烧中存在严重的烧结与团聚问题，极大限制了化学链燃烧的工业化进展。本文采用流化床结晶造粒的方法，制备出一种高比表面积的铜基载氧体，在流化床热重分析仪(fluidized bed thermogravimetric analyzer，FBTGA)上对其进行了长期化学链燃烧(chemical looping combustion，CLC) 循环测试，并对反应前后的载氧体颗粒进行了还原反应实验。实验结果表明，所制备载氧体在900^◦C 的高温下氧化还原循环120 次后，其反应活性保持稳定，且并未出现明显的烧结与团聚迹象。对循环前后的载氧体颗粒进行形貌表征分析可知，此种Cu 基载氧体的比表面积高达40 m²/g 以上，展现出良好的反应活性。此外，载氧体主要成分由CuAl₂O₄分解为Al₂O₃ 和CuO，其循环后仍呈光滑的球形颗粒，并维持多孔结构，活性组分Cu 在颗粒表面高度分散。

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高海拔条件下PODE/柴油着火与燃烧特性研究

董素荣, 刘泽坤, 焦宇飞, 赵旭敏, 周广猛, 张众杰, 刘瑞林

工程热物理学报. 2024, 45(1): 286-294.

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基于柴油与PODE 化学反应机理，构建了TRF-PODE 化学反应动力学模型(包含219 种组分、903 个基元反应) 并验证，开展了高海拔条件下PODE/柴油着火与燃烧特性数值模拟研究。结果表明：在高海拔低压力下，PODE 增加了着火瞬时放热率，降低了着火最高温度对应时间；PODE 对燃料着火起到促进作用，着火促进率最大值出现在负温度特性(NTC) 区域范围内，且随着PODE 掺混比例的增加而增大；高海拔条件下低温氧化中PODE 增加了反应中OH· 生成，促进nC₇H₁₆前期氧化，反应中羟基的最高摩尔分数随压力下降明显增加，使基元反应速率降低；高温条件下，PODE 本身含氧增加了反应中的OH· 的生成，降低了O₂ 参与生成OH· 反应的比例，使更多的O₂ 能够氧化反应中的小分子，促进自由离子生成，提升反应活性，改善柴油机高海拔燃烧特性。

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基于双进度变量的非预混火焰NO 生成大涡模拟研究

万佳伟, 魏正昀, 蒋旭东, 郭军军, 柳朝晖

工程热物理学报. 2024, 45(1): 295-302.

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本文基于火焰面/进度变量(FPV) 模型框架，提出了一种双进度变量NO 输运修正模型。将该模型与大涡模拟相结合，对Sandia 非预混甲烷射流火焰开展了数值模拟。结果表明，该模型对于NO 浓度的预测精度相比于文献中结果显著提升。进一步详细分析了具有火焰不稳定性的Sandia 火焰F 的NO 生成特性，当雷诺数从22400 升高至44800 时，火焰F 相比于火焰D，中心轴线处的NO 峰值下降约28%。模拟结果成功捕捉到了雷诺数升高导致的强局部熄火现象，以及该条件下火焰温度降低，NO 生成受到抑制的趋势。

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孔隙比对氢气爆轰波结构的定量影响

赵焕娟, 汪乐溪, 张英华, 林敏, 周正青, 蒋慧灵

工程热物理学报. 2024, 45(1): 303-309.

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氢能作为一种清洁高效的可再生能源，发展前景广阔，但其在使用、运输和储存过程中极易引起爆炸事故，严重威胁到人们的生命财产安全。研究氢气预混气爆轰波传播的抑制措施具有重要意义。针对管廊内的2H₂+O₂+3Ar 预混气爆轰传播机理和多组多孔材料对爆轰波声学特性、传播速度的影响进行了实验研究。在光滑管道内安设Al₂O₃ 泡沫陶瓷，随着Al₂O₃ 泡沫陶瓷的孔隙密度增大，管道内爆轰轨迹–管轴夹角实测值与理论值偏差变大，管径–螺距比与声学理论值偏差变大，爆轰波螺旋频率降低。在光滑管道内安设泡沫铁镍金属，左旋波及右旋波轨迹–管轴夹角实测值与声学理论值偏差变大。这一发现可以为氢气利用过程中的安全问题提供新的解决思路，为我国双碳目标做出一定的贡献。

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