工程热物理学报

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2023 年度工程热物理与能源利用学科国家自然科学基金管理工作综述

关永刚, 陈龙飞, 张燕峰, 凡凤仙, 李秉硕

工程热物理学报. 2024, 45(2): 311-318.

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统计和分析了2023 年度国家自然科学基金委员会工程热物理与能源利用学科(E06) 自然科学基金的申请、受理、评审和资助情况。介绍了2023 年度学科面向加强“双碳” 目标在能源和动力领域开展的战略研究与立项工作。介绍了学科2023年度亮点资助成果和2024 年度工作展望。

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100 mK 以下二级绝热去磁制冷机的研究

金海, 姜春阳, 沈俊, 戴巍, 崔伟

工程热物理学报. 2024, 45(2): 319-323.

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超导转变边缘传感器(TES)、动能感抗传感器(KIDS) 等高性能低温探测技术日渐成熟，为天文学家解决“重子缺失”、原初引力波观测等关键科学问题提供了契机。这些低温传感器需要在极低温工作(300 mK 以下) 才能实现其高灵敏度。作为获得极低温的重要方法之一，绝热去磁制冷机(ADR) 非常适合冷却这类高性能低温探测器。本文描述了一台二级绝热去磁制冷机，介绍了低温级顺磁盐工质FAA 的制备方法。在初步测试中该制冷机低温级可获得100 mK 以下极低温，为后续研究工作打下基础。

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高压控制策略对CO₂ 热泵热水器长期能效影响

赵晓璇, 何宇佳, 成家豪, 张春路

工程热物理学报. 2024, 45(2): 324-327.

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CO₂ 热泵热水器的高压控制策略在部件性能长期衰减影响下会造成额外的性能损失。本文对CO₂ 热泵热水器进行了系统仿真计算，引入部件衰减因子来模拟长期运行影响，对不同的典型离线控制策略进行了COP 和APF 损失率的对比研究，以此评估各方法应对长期部件性能衰减的鲁棒性。结果表明，在名义工况下，面向换热器性能衰减，控制参数为环境温度和气冷器出口温度的策略COP 平均损失率最小，而控制环境温度和出水温度的策略则更适于压缩机衰减显著的情景。控制蒸发温度和气冷器出口温度的方法应对全年性能衰减时鲁棒性较好，APF 平均损失率可降至2.52%。

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布里渊散射法流体音速测量系统的改进

张恒飞, 李欣, 占涛涛, 何茂刚, 张颖

工程热物理学报. 2024, 45(2): 328-333.

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音速是流体的一项基本热物性。布里渊散射法对于高温及超临界流体的音速测量具有优势，但与声学法相比其测量精度较低。为提高测量精度，本文从布里渊散射法音速测量的基本原理入手，分析了测量不确定度的来源，并从光路设计和探测装置两方面对现有的实验系统进行了改进，将音速的测量不确定度由1.05% 降低至0.22%(k=2)。测量了正十二烷的音速并与文献数据进行对比，结果显示两者的平均相对偏差为0.22%，最大偏差为0.36%，验证了改进后实验系统的准确性和可靠性。

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基于REV 描述方法的深层热储孔隙型结构导热模型构建

谭明哲, 王志国, 秦晓凯, 刘昌宇, 王忠华, 宋永臣

工程热物理学报. 2024, 45(2): 334-342.

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随着“双碳” 目标提出，地热能研究及利用得到了快速发展。在地热能开发过程中，合理取热、精准勘测及自然恢复等，对地热能有效利用影响较大，目前研究存在一定不足。针对孔隙岩溶型深层热储，根据开发过程微观结构动态变化特点，将其划分为开发区、波动区和原始区。基于多孔介质REV(Representative Elementary Volume) 方法，对深层热储进行表征，给出了描述参数，据此构建了深层热储导热分析模型。利用所建模型，以花岗岩作为应用实例，进行了数值模拟计算，分析了孔隙含水率和孔隙含杂率等对地热储层导热影响。本文所做工作，可为精准分析储层传热特性和开采过程动态变化等提供依据。

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空分系统压缩余热自利用方法的比较研究

甘浩然, 方松, 张涵玮, 王凯, 植晓琴, 邱利民

工程热物理学报. 2024, 45(2): 343-350.

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利用热驱动制冷循环回收压缩余热，将制取冷量用于冷却各级空压机入口空气，从而实现压缩余热“自利用”，是降低空压机组能耗，促进空分装备低耗化的有效途径之一。本文主要构建了基于有机朗肯–蒸气压缩制冷的空压流程(ORVC-ACS)和基于吸收式制冷的空压流程(ARS-ACS) 的热力学模型，对比分析了环境温、湿度和冷冻水出口温度对两种压缩余热自利用系统的性能影响。结果显示，当气候条件发生波动时，采用ORVC 回收压缩余热可产生更高的节能效益，节能率可达3.5%，而ARS-ACS 的节能率仅为2.6%。此外，高冷冻水输送温度更有利于ORVC-ACS 的节能效果，六万等级空分系统的节能量最高可达854 kW。

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影响垂直U 型地埋管换热量的多因素回归分析

陈尚沅, 李媛媛, 邸莎, 张建利, 刘锦红, 陈飞

工程热物理学报. 2024, 45(2): 351-358.

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地埋管换热过程与换热器结构、地下热物性、运行参数等多因素相关，在设计研究的过程中往往难以整体考虑所有因素，在此采用多因素回归分析的方法预测地埋管换热器在一系列运行工况下的换热量。基于三维热渗耦合垂直U 型地埋管数值模型，研究分析了导热系数、体积比热容、进水流量、进水温度、土壤孔隙率、地下水渗透速度和钻孔深度对地埋管换热的影响，进一步按正交试验设计计算得出64 组工况下的地埋管延米换热量，以多种因素作为自变量输入，延米换热量作为因变量输出，得到了地埋管换热量的多元回归预测方程，通过地埋管换热量试验验证表明，多元回归预测方程具有较好的精度，对于指导地埋管换热器的理论研究及工程设计具有参考意义。

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双抽供汽机组供汽流程优化与能耗特性研究

刘苗苗, 刘明, 陈伟雄, 李卫东, 严俊杰

工程热物理学报. 2024, 45(2): 359-367.

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采用燃煤机组供应多参数的工业热负荷是提高能源利用效率的有效手段，供汽流程优化及变工况能耗特性是节能改造与运行优化的基础。本文以某1000 MW 机组为案例，开展了双参数工业抽汽供应系统优化，对比了四种供汽方式在典型工况的能耗特性，发现冷再供中压、中排供低压在不同工况下的综合能效最优。进而，研究了机组冷再供中压、中排供低压，及冷再供中压、中排供低压这三种方式下全工况运行域内能耗特性的变化规律。发现机组的能效在运行域内差异大，例如，当双抽供汽模式下中压供汽量为223 t·h⁻¹ 时，运行域内机组的最大和最小热效率分别为67.90% 和50.45%。

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PEMFC 电堆快速成型建模和优化

刘绍俊, 田思思, 刘郭存, 隋邦傑

工程热物理学报. 2024, 45(2): 368-377.

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质子交换膜燃料电池电堆中水热管理策略与电堆结构与大小息息相关，开发过程必须引进电脑辅助设计模拟工具, 本文基于COMSOL 软件开发了快速成型电堆二维模型，模型中考虑膜电极的零部件、双极板及冷却水槽道中的气、水、热、电的相互影响，在模型中加入阴极进气和排气歧管，真实地模拟了整个电堆的气体流动分布。该模型中几何尺寸及单电池数量经过参数化，能依据设计要求快速建模并进行仿真，在进行更详细三维模拟仿真之前，为电堆设计提供初步设计方案。本文以一个10个单电池串联的二维燃料电池堆模型为例，求解了气体流道，多孔介质、电极耦合表面和固体流体传热的一整套质量、动量、组分和温度守恒方程。针对U 型进气方式，分析了电池堆氧气速度、质量分数和电极耦合表面电流密度分布特点。基于该电堆模型，研究了电压，质子交换膜电导率，空气进气流速等参数对电堆水气分布的影响。模拟结果发现高电压工作，较大的质子交换膜电导率，较大的进气流速均会提高电堆性能。通过优化现有模型结构，实现了电池堆水气更均匀地分布，为燃料电池堆的进一步设计提供参考。

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高温红外探测器用斯特林制冷机研究

丁旭鹏, 王晓涛, 张益炳王亚男戴巍, 李海冰

工程热物理学报. 2024, 45(2): 378-386.

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斯特林制冷机是目前高温红外探测器最主要的冷却方式之一。近年来随着红外探测器件技术研究的不断进步，所需制冷温度也有望进一步提高，为提高制冷机效率，减小其质量和体积带来了可能。相比于低温区斯特林制冷机，制冷温度的提升以及斯特林制冷机排出器的存在，使得压缩机活塞处阻抗相位接近90°，导致压缩机与冷指的阻抗匹配也更加困难，目前国际上缺乏160 K 以上温区微型斯特林制冷机的深入研究。为同时满足红外探测器在高温区对制冷机结构紧凑性、高效等要求，本文针对制冷温度为220 K 的微型斯特林制冷机开展压缩机与冷指间阻抗匹配特性研究，将压缩机活塞直径从原来的8.5 mm 提高到10.5 mm。在此基础上，对结构及运行参数进行优化。当环境温度在−20∼60°C 内变化时，在220 K 获得2 W 制冷量，压缩机耗功均小于8 W。环境温度为25°C 和60°C 时，相对卡诺效率分别达到了10.4% 和12.4%。

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燃煤含碳量波动瞬态过程电站锅炉分析

尹俊杰, 薛朝囡, 陈胜军, 刘明, 严俊杰

工程热物理学报. 2024, 45(2): 387-393.

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煤质波动影响燃煤发电机组运行控制效果及能量利用效率，其中含碳量波动是煤质波动的主要形式。本文基于热力学第二定律，研究了燃煤含碳量波动条件下锅炉瞬态过程损失的分布规律，以及各换热设备传递与损失的耦合作用机制。研究发现稳态工况下燃烧损失占锅炉总损失的比例达到57.77%，而在燃煤含碳量变化瞬态过程中，燃烧损失的变化量也最大。在燃煤含碳量阶跃变化的瞬态过程中，损失中变化最显著的是水冷壁传热损失，效率变化最显著的是低温过热器，各换热设备损失和效率在瞬态过程中趋于稳定速度沿烟气流程逐渐变慢。

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对转压气机动叶热态形变气动影响效应及冷热态叶型变换方法研究

王一勐, 徐强仁, 白素娟, 赵巍, 赵庆军, 徐建中

工程热物理学报. 2024, 45(2): 394-400.

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为探究高负荷对转压气机动叶形变对气动性能的影响，采用热流固耦合计算方法分析了离心、气动及热载荷作用下的叶片形变规律，探索了形变下低压转子及对转压气机的气动性能变化机理，并进一步开展了冷热态叶型变换方法研究。结果表明：在总载荷作用下，低压转子和高压转子叶片前缘分别向吸力面和压力面方向形变，导致低压转子工作点向失速边界移动，对转压气机堵塞流量降低，峰值效率下降。通过采用基于虚功原理的逆向求解计算，可以在无需变形量反向插值和迭代修正下得到动叶的冷态叶型，进而实现设计的气动性能。

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透平级小翼--凹槽叶顶冷却传热性能研究

吴琛琦, 秦正, 何坤, 晏鑫

工程热物理学报. 2024, 45(2): 401-409.

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采用数值方法研究了发动机工况下含内冷通道的透平级小翼-凹槽叶顶的冷却传热性能，分析了叶顶型式、吹风比对叶顶传热系数和气膜冷却效率分布的影响。结果表明：带压力侧小翼凹槽叶顶可有效消除叶顶刮削涡，改善凹槽底部冷气覆盖的均匀性；相对于传统凹槽叶顶，带压力侧小翼凹槽叶顶的面积平均传热系数减小11.11%、气膜冷却效率增大4.54%。吹风比从1增大到2 时，带压力侧小翼凹槽叶顶面积平均传热系数减小48.96%、气膜冷却效率增大154.01%。

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非定常涡升力机制的三维效应

王卓, 杜林, 孙晓峰

工程热物理学报. 2024, 45(2): 410-417.

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本文采用浸入式边界方法对一低速单级压气机在不同轴向间距下的转静干涉流动进行了数值模拟，主要关注缩小轴向间距后由于非定常涡升力机制所引起的前后排叶片流动状态变化。计算结果表明，级性能随间距出现提升的流动机理在于，当间距减小后，前排转子的负荷出现提升，这一变化使得级间静压升高，静子根部的逆压梯度得到有效的缓解，进而导致静子根部的流动分离被抑制，压气机的压升及效率均出现明显的提升。

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三级高速轴流压气机变转速导静联调特性及流动机理研究

花雨, 李聪, 琚亚平, 张楚华

工程热物理学报. 2024, 45(2): 418-426.

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变转速及变导静叶片角度是实现轴流压气机扩稳增效的两个最有效性能调节方法，对航机、燃机、工业压缩系统的高效宽工况运行具有重要影响。本文针对多级高速轴流压气机易出现低转速下裕度不够的问题，对某3.5 级高速轴流压气机在100%∼70% 设计转速范围内四种转速下的内部流动进行了全三维定常数值模拟，重点分析了低转速下的失速特性及其流动失稳机理。结果表明：100%、90% 设计转速下失速裕度为16.58%、32.22%；在80%、70% 设计转速下失速裕度分别为0.22%、0.34%，性能曲线表现出突变失速的不连续性。分析流动机理后发现80% 转速下流动失稳现象为R1 叶尖部分叶高失速，该失速无法通过增大流量解除；70% 转速下流动失稳现象为S2 角区分离引起S3 双开型角区分离失速，该失速可通过增大流量解除。研究工作对完善多级高速轴流压气机导静叶调节扩稳设计具有指导价值。

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S 弯喷管喷口内切流动特性数值模拟

王明新, 周莉, 史经纬, 王占学

工程热物理学报. 2024, 45(2): 427-436.

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为了研究采用喷口内切修型方式的S 弯喷管的流动特性，数值模拟了S 弯基准喷管和内切角度为10°、20°、30°、40°、45° 的S 弯喷口内切喷管。研究表明，相对于S 弯基准喷管，喷口内切会使喷管内第一弯之后的流动参数变化更加剧烈，降低喷管出口最大马赫数与波系强度，使喷流中心产生两对流向涡牵引喷流，改变尾喷流的结构，增加喷流高速核心区的长度。随着内切角度增加，喷流发生轴转换的现象更加明显，角涡对喷流的影响增大，喷流高速核心区的长度先增加后随着轴转换过程加快又缩短，喷管推力性能随内切角度的增加逐渐降低。

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复合碰撞模型在液滴碰撞和栓式喷雾下的应用

部竞琦, 钟生辉, 廖锡峰, 刘卓昕, 韩宁, 焦魁, 张帆, 杜青

工程热物理学报. 2024, 45(2): 437-445.

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目前主流CFD 计算软件中基于拉格朗日框架的碰撞模型不够准确，难以对液液栓式喷雾的宏观特性进行仿真。故本文基于开源软件OpenFOAM 植入了复合碰撞模型，考虑了卫星液滴和四种不同的碰撞模式：聚合(I，III)、反弹(II)、自反分离(IV) 和拉伸分离(V)，修正了反弹模式中液滴的速度方向；通过纯轨迹法(改进的Nordin 模型)检测液滴碰撞。该碰撞模型在不同模式的液滴碰撞和栓式喷雾上都与实验吻合较好，如液滴的运动过程、喷雾分布和喷雾锥角等。不同工况下对比表明，复合碰撞模型能合理地将液滴碰撞动力学应用于栓式喷雾，预示结果明显优于CFD 软件中的O’Rourke 碰撞模型，准确预示出喷雾锥角随有效动量比的变化趋势以及径向液柱、轴向液膜的混合分布。

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基于深度学习的全三维气固两相流时空耦合智能预测

谢心喻, 王晓放, 郝祎琛, 赵普, 谢蓉, 刘海涛

工程热物理学报. 2024, 45(2): 446-452.

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气固流化床在化工、冶金及制药等领域得到了广泛的研究与应用。对流化床内气固两相流的动力学行为进行深入研究有利于流化床设备的设计和性能优化。本文利用深度学习技术构建了数据驱动的全三维深度时空序列模型，对流化床内气固两相流三维空间和时间维度的复杂动力学行为进行学习，并实现了对未知来流速度条件下流化床内气相和颗粒相速度场的合理预测。测试结果表明，该全三维智能模型的预测结果与CFD 计算结果高度一致，具有较好的泛化能力；此外，该模型比传统的数值仿真速度快数百倍，可以用于流场的快速预测，以缓解数值仿真耗时问题。

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仿生表面沸腾传热性能LBM 数值模拟研究

张博瑞, 胡彦伟, 何玉荣

工程热物理学报. 2024, 45(2): 453-459.

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沸腾传热是高效的传热方式之一，在能源、化工、电子元器件热管理等众多领域有着广泛的应用。本文应用格子玻尔兹曼方法研究仿生表面上的沸腾传热过程，探究不同表面温度和润湿性对池沸腾过程的影响。结果表明，亲水性表面上的汽泡更容易脱离表面，但是疏水性表面沸腾起始点较早。通过将亲水和疏水性相结合形成仿生混合润湿性表面可有效提升换热性能，同时调控疏水区域间的间距可以实现高效的换热性能以及汽泡的定向生长。

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一种基于中心频率匹配的超声流量计ToF 算法

谭超, 江逸舟, 鲍勇, 董峰

工程热物理学报. 2024, 45(2): 460-464.

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随着工业领域的不断发展，对流量的高精度、在线检测的需求也愈发迫切。以氢气循环泵为例，在小管径下，对氢气的流量监测精度直接影响循环泵的性能。超声流量计凭借其高精度、非侵入、无压损等优点，一直是流量检测领域关注的重点，可以满足不同场景下的测量需求。渡越时间提取算法是超声流量计设计的关键环节，对流量测量精度有着十分重要的影响。渡越时间的精度和鲁棒性直接影响着超声流量计流量测量的结果。本文针对氢气循环泵的测量场景，提出了一种基于探头中心频率匹配的ToF 算法，并采用了仿真软件来进行模拟实验。结果显示，相比传统的超声渡越时间算法，标准差分别是其他两种算法的5.21% 和32.14%，而误差则分别是二者的15.41% 和36.43%。

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黏土矿物对超临界水中稠油改质的影响

郑利晨, 赵秋阳, 金辉, 董宇, 巴尔成· 巴瓦阿, 王晔春, 郭烈锦

工程热物理学报. 2024, 45(2): 465-470.

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本研究对稠油在超临界水环境中的提质过程以及常见黏土矿物(包括蒙脱石、高岭土、伊利石和绿泥石) 对提质过程的影响规律进行了探究。研究主要包括了黏土矿物对稠油提质过程的主要产物(气、油、焦) 的产量和成分组成的影响规律，揭示了四种常见黏土矿物对稠油超临界水改质过程产物的影响规律，并分析了其影响机制。研究发现，绿泥石和蒙脱石对稠油改质过程的产量方面产生了正向的催化效果，能够在抑制结焦的同时使产油产气量提升或保持原有水平. 而伊利石和高岭石则展现出了双向催化效果，即同时促进了油向气和焦的转化。在气体组分方面，蒙脱石的存在提高了气体产量的同时增加了气体产物中二氧化碳的比例，而伊利石、绿泥石和高岭石的催化作用为提高气体产率而不能改变气体成分组成。在产油方面，绿泥石的存在使油的产量上升，而其余三种黏土矿物的存在使油的产量出现不同程度的下降。在产油组分方面，黏土矿物能够催化稠油中的重质组分裂解为轻质组分。在结焦方面，黏土矿物对焦的产量和特性有明显的影响。蒙脱石和绿泥使结焦量出现明显下降。并且，黏土矿物均能够使焦的DTG 峰值温度出现明显下降，从而使焦具有更好的氧化活性。

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超声速主流下非稳态相变发汗冷却过程研究

戴嘉鹏, 周禹, 李冬, 曹占伟, 李明佳

工程热物理学报. 2024, 45(2): 471-477.

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本文基于“分区建模，界面耦合” 的计算技术，对飞行器外部超声速流动过程及防热结构内部以水为工质的发汗冷却过程建立了数值模型，实现了对内外部发汗热质输运过程的耦合求解。结果表明：防热系统表面非均匀非定常的热流分布导致发汗工质发生局部气化，并引发工质分布出现失均现象。随着服役过程的进行，该现象具有内生性的加重趋势。服役30 s 后，远来流侧冷却工质流量的峰值高于入口流量的9.1 倍，低流量的气相工质区域面积占发汗多孔材料表面积的76% 以上。工质液相区域溢出流量上升使发汗多孔材料表面局部形成热导率较高的液膜，降低了发汗结构隔热能力，液相区表面热流(约为0.15 MW·m⁻²) 略高于气相区域(约为0.11 MW·m⁻²)。然而，气相工质的冷却能力低，气相区域的升温速率远高于液相区，因此必须发展冷却工质流量调控策略以消除工质气化的影响。

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基于扩展状态空间模型的锂离子电池内热源场和温度场同时重构

刘佳明, 陈红, 王广军, 陈泽弘

工程热物理学报. 2024, 45(2): 478-487.

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锂离子电池内部产热机制十分复杂，难以从理论上有效描述电池产热的空间分布。本文提出了一种锂离子电池内部三维内热源场和温度场的同时重构方案。根据锂离子电池传热过程基本方程，建立对应的状态空间模型；进一步，通过状态空间扩展，获得以内热源场和温度场为联合状态向量的扩展状态空间模型；最后，应用Kalman 滤波方法实现内热源场和温度场的同时三维重构。通过数值试验重构了锂离子电池充放电过程的三维内热源场和温度场，讨论了温度测点数目、环境温度温度和测量误差对重构结果的影响。

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串列双颗粒绕流传热大涡模拟研究

贾浩楠, 杨剑, 王秋旺

工程热物理学报. 2024, 45(2): 488-493.

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本文采用大涡模拟的方法对串列双颗粒绕流的流动和换热特性进行了研究，分析了前后颗粒的阻力系数和努塞尔数随时间变化的关系，此外，对比分析了光滑双颗粒和凹坑双颗粒的流动和换热特性。研究发现不同表面结构的双颗粒绕流时的流动和换热特性存在明显差异，且相比与光滑双颗粒，凹坑双颗粒的前后颗粒分别减小18.27% 和3.08% 的流动阻力，同时换热性能分别提升14.26% 和7.77%。凹坑结构呈现出更优异的流动和换热性能。

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碳纳米管修饰气体扩散电极高效电化学还原CO₂

钟立阳, 邓雨荷, 付乾, 李俊, 张亮, 朱恂, 廖强

工程热物理学报. 2024, 45(2): 494-499.

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电化学还原CO₂ 可利用可再生能源实现CO₂ 转化，是实现碳中和目标的重要支撑，但目前其反应器存在法拉第效率较低和槽电压较高等问题，严重制约其发展。本文用碳纳米管修饰催化层从而构建了新型气体扩散电极，研究发现添加碳纳米管后电极在200 mA·cm⁻² 的电流密度下CO 法拉第效率最高可达93%，槽电压仅为−2.42 V，相较未添加碳纳米管的电极法拉第效率提高了13.7%，槽电压降低了240 mV，传荷阻力减小了29.4%。其主要原因是碳纳米管交错所形成的疏水三维骨架网络不仅有利于催化剂颗粒的分散，还有利于催化层孔隙率的提升和CO₂ 传输的增强。

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基于热化学储热的金属氢化物储氢性能研究

常浩, 陶于兵

工程热物理学报. 2024, 45(2): 500-505.

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建立了由MgH₂ 和Mg(OH)₂ 组成的绝热储氢反应器二维轴对称数学模型，提出了夹层式反应器结构并与传统套筒式反应器进行对比，研究了氢气压力及Mg(OH)₂ 导热系数对夹层式反应器储氢蓄热性能的影响。结果表明，夹层式反应器与传统套筒式反应器相比具有更大传热面积和更小传热热阻，从而具有更快的传热和储氢速率。增加氢气压力，可以强化储氢材料与储热材料之间的传热，加快储氢储热速率。此外，提高Mg(OH)₂ 导热系数是进一步提高夹层式MgH₂-Mg(OH)₂ 反应器性能的关键。

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陶瓷基复合材料相变发汗冷却实验研究

李晓阳, 李浩, 姜培学, 胥蕊娜

工程热物理学报. 2024, 45(2): 506-513.

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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。

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基于神经网络的散热兼容型红外隐身薄膜设计

张鲁豫, 胡兰芳, 高菲菲, 张文杰

工程热物理学报. 2024, 45(2): 514-519.

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军事目标的红外辐射特征取决于红外大气窗口的发射率和目标温度水平。传统红外隐身涂层在全红外波段保持低发射率但并不能通过非大气窗口辐射散热。本文利用深度神经网络设计出一组由锗、铂、硅顺次排列，可用于兼容辐射散热的红外隐身多层薄膜结构。分析表明：该结构在3∼5 μm 和8∼14 μm 的红外大气窗口探测波段中具有0.20 和0.23 的低平均发射率，而在5∼8 μm 的非大气窗口波段中具有0.87 的高平均发射率，可兼容辐射散热，并且该兼容性对偏振和方向不敏感。该薄膜结构光谱选择性的微观机理可归因于锗层的选择性透过、铂–硅–钛合金形成的Fabry-Perot 共振，以及铂层和钛合金基底的本征吸收。

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辐射冷却相变材料热管理性能实验研究

翟化天, 范德松, 于坤洋, 李志松, 李强

工程热物理学报. 2024, 45(2): 520-524.

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辐射冷却被认为是解决电子设备过热问题的创新被动方法。然而，较低的净冷却功率限制了其应用。本文提出了一种基于辐射冷却和相变效应的复合材料实现对产热器件的热缓冲。以三聚氰胺泡沫(MF) 为三维骨架，聚乙二醇(PEG) 为相变材料，含氟聚合物(PVDF-HFP) 为辐射冷却层，制备了具有优异抗泄露能力的辐射冷却相变材料(RC-PCMs)。复合材料不仅具有高太阳反射率(0.93) 和高红外发射率(0.91), 还具有高焓值(182 J/g) 的特性。这项工作为新型被动辐射冷却技术提供了有益的参考。

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尿素/过硫酸钠纸基微流体燃料电池产电特性

陈曦, 叶丁丁, 朱恂, 杨扬, 兰巧, 陈蓉, 廖强

工程热物理学报. 2024, 45(2): 525-534.

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本文提出一种尿素/过硫酸钠完全被动式纸基微流体燃料电池，通过方波电流法将非贵金属镍催化剂电沉积到碳纸上制备阳极，阴极无需催化剂负载，电池成本大大降低。在不同结构及燃料、氧化剂、电解液浓度下测试了电池性能，结果表明，双层纸结构能大幅提高反应物流速，强化反应物传质，提高性能；电池在电极间距为6 mm、燃料浓度为0.3 mol·L⁻¹、氧化剂和电解液浓度均为1.0 mol·L⁻¹ 时，峰值功率密度和极限电流密度分别为5.9 mW·cm⁻² 和23.5 mA·cm⁻²，且运行稳定性较好。

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超临界CO₂ 动力循环热量流模型与高效求解方法

辛永琳, 赵甜, 孙清晗, 李霞, 陈群

工程热物理学报. 2024, 45(2): 535-542.

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超临界CO₂ 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CO₂ 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。

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热风干燥细胞尺度水分传输及收缩数值模拟

范芃佐, 王鹏, 李政赢, 董冰

工程热物理学报. 2024, 45(2): 543-550.

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目前植物物料热风干燥过程中品质变化机理未得到充分地研究，原因之一是对细胞尺度上干燥特性认识不足。本文基于模型细胞，针对细胞中不同的结构建立水分传输模型，并建立力学模型模拟细胞失水过程中的收缩现象，实现热风干燥过程植物细胞尺度上的水分传输和收缩变形的模拟。通过与文献结果对比验证了本文模拟结果的正确性，分析了植物细胞中不同结构在水分传输和失水收缩过程的规律，以及细胞收缩变形对其水分传输的影响，为从细胞尺度分析物料的干燥特性打下基础。

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介孔二氧化硅导热特性的分子动力学研究

黄超, 魏高升, 崔柳, 杜小泽

工程热物理学报. 2024, 45(2): 551-557.

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介孔二氧化硅作为一种人工合成纳米孔材料，其热性能调控对于材料的推广应用十分重要。本文基于典型介孔二氧化硅SBA-15 建立了双尺度复合孔道模型，并采用逆非平衡态分子动力学方法模拟研究了其内部微尺度热输运行为。研究结果表明当体系长度大于12.84 nm 时，无定形二氧化硅和介孔二氧化硅的尺寸效应不再明显。介孔二氧化硅的传热性能调节主要取决于孔径和孔隙率，且在相同孔隙率下，减小孔径可进一步增强材料的绝热性能。同时介孔间的微通道体系破坏了热流传输的连续性，并扩大了材料的比表面积，从而增强热载流子界面散射和热阻。此外，振动态密度分析表明介孔和微通道限制了纳米尺度的传热，降低了热载流子的平均频率，进而导致热导率降低。

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氨气掺混乙烯层流燃烧速度测量及动力学分析

刘博文, 郭晓阳, 胡二江, 殷阁媛, 黄佐华

工程热物理学报. 2024, 45(2): 558-568.

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本文利用定容燃烧弹测量了不同掺混比(0-1) 下NH₃/C₂H₄/air 火焰的层流燃烧速度。对NH₃/air、C₂H₄/air 层流燃烧速度进行验证，并利用Konnov Mech(2021) 及GRI 3.0 模型对NH₃/C₂H₄/air 火焰层流燃烧速度进行数值计算和动力学分析，其中Konnov 机理表现出不错的性能。结果表明，C₂H₄ 的添加提高了层流燃烧速度，同时，NH₃ 和C₂H₄ 掺混，拓展了反应路径，通过一系列组分NO、CH₃ 等来交互加快反应。最后，通过分析活性自由基H、O、OH 的浓度，探究了不同机理在预测层流燃烧速度产生差异的原因。

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旋流雾化火焰合成稀土掺杂氧化钇的结构形貌和光电性能调控研究

雷舒婷, 张易阳, 李水清

工程热物理学报. 2024, 45(2): 569-575.

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稀土元素掺杂的钇基纳米颗粒在荧光发光、激光晶体和透明陶瓷等领域具有广阔的应用前景。本文针对Ce, Nd, Yb 和La 四种稀土元素，采用旋流雾化火焰合成方法，实现了一步连续合成Re: Y₂O₃ (Re= Ce, Nd, Yb, La) 纳米颗粒，并对合成的纳米颗粒形貌结构及光电性能进行了探究。结果表明所合成的纳米颗粒粒径均匀分布(约10 nm) ，结晶度良好，呈立方相。掺杂引起的晶胞畸变程度与掺杂元素的离子半径成正相关。不同稀土掺杂元素均导致材料的相对介电常数和介电损失增高。在200∼2000 nm 波长范围内，1%Yb 元素掺杂带来的光谱吸收比增高最多，增高至22.83%。5% La 元素掺杂带来的光谱吸收比增高最低，为14.92%。此外，5%La 掺杂使得禁带宽度下降至4.53 eV，导致其在紫外区间内的光学吸收大幅增加。

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基于原位红外PCMW2D 和2D-COS 研究碱/碱土金属对纤维素热解的影响

杜思洁, 刘虎平, 杨晓莉, 俞云

工程热物理学报. 2024, 45(2): 576-587.

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碱/碱土金属催化纤维素热解过程已经受到广泛关注，本文利用原位红外光谱测试手段，引入移动窗口二维相关光谱(PCMW2D)，并结合2D-COS 分析方法研究了NaCl 和MgCl₂ 对纤维素热解过程中焦表面官能团的影响情况，将热解反应分成脱挥发的物理过程和化学反应过程，分析了不同官能团随温度演变情况。结果发现两种盐会破坏O(2)H· · · O(6) 氢键结构，降低反应起始温度；NaCl 通过促进开环起到催化作用，而MgCl₂ 则通过促进分子内脱水影响热解过程。

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软质聚氨酯泡沫燃烧特性及参数敏感性

黄梦真, 朱虹, 刘乃安, 谢小冬, 马超, 张首蕤

工程热物理学报. 2024, 45(2): 588-596.

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本研究基于火焰蔓延量热仪(FPA)，在不同辐射热流及样品厚度条件下，开展软质聚氨酯泡沫(FPUF) 燃烧特性实验研究。结果表明，FPUF 燃烧可分为三个阶段：阶段一主要为FPUF 热解与甲苯二异氰酸酯(TDI) 燃烧，阶段二主要为多元醇燃烧，阶段三主要为焦炭氧化。基于Box-Behnken 设计方法建立质量响应模型，方差分析结果表明，模型对单个参数敏感性为：样品底面温度> 辐射热流> 样品厚度；多个参数敏感性为：样品底面温度× 样品厚度> 样品底面温度的平方> 样品厚度的平方。

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边界层厚度对超声速流动燃烧的影响研究

许大羽, 汤涛, 于江飞, 汪洪波, 孙明波

工程热物理学报. 2024, 45(2): 597-604.

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本文以超燃冲压发动机燃烧室为背景，利用三维GPU 并行程序，验证了火焰面模型的精确性，模拟了不同边界层厚度状况下超燃冲压发动机燃烧室内流动和燃烧的变化，并探讨研究了边界层厚度对流动、混合和燃烧等过程的影响。结果表明，对于来流边界层厚度，尤其是厚度大于喷孔直径时的综合影响，认为超燃冲压发动机燃烧室内的厚边界层有助于燃料的掺混，但是对燃烧效率有负面影响。

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富镍双金属催化剂的制备及其对复合藻基原料共水热催化性能研究

胡亚敏, 张文珏, 闫佳玮, 王爽, 曹斌, 袁川, 钱黎黎, 王谦

工程热物理学报. 2024, 45(2): 605-613.

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该文开展了大藻与微藻共水热催化制备生物油研究，考察了Ni-Mo/MCM-41 和Ni-W/MCM-41 催化剂对生物油产率和组分分布的作用特性。结果表明，双金属催化剂会降低复合藻基原料水热生物油的产率，但发挥了一定的加氢脱氮效果，提高了油相产物中烃类物质含量(最多提高33.04%)，并降低了含氮化合物含量(最多降低38.88%) 和氧含量，有效改善了生物油的品质。此外，采用扫描电镜、X 射线衍射、X 射线光电子能谱和氨气吸脱附研究了Ni-Mo/MCM-41 和Ni-W/MCM-41催化剂的物理化学性质。

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