工程热物理学报

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甲烷化学链干重整制合成气的氧载体La_1−xSr_xFe_0.8Al_0.2O₃ 性能研究

杨天龙, 张晋睿, 饶琼, 盖忠睿, 李扬, 潘莹, 金红光

工程热物理学报. 2024, 45(9): 2551-2557.

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通过化学链方法使用氧载体中的晶格氧进行甲烷的部分氧化反应制合成气，可以实现高的产物选择性。本文采用溶胶凝胶法制备了氧载体La_1−xSr_xFe_0.8Al_0.2O₃ 用于甲烷化学链干重整反应，使用热重和固定床反应器对不同比例Sr 掺杂氧载体的反应性能进行测试。实验结果表明La_1−xSr_xFe_0.8Al_0.2O₃ 中x=0.4 的氧载体氧容量高达1.88 mmol·g⁻¹，反应性能优异，同时积碳量较少。进一步对氧载体La_0.6Sr_0.4Fe_0.8Al_0.2O₃ 进行了20 次循环稳定性测试，发现氧载体保持优异的氧化还原性能，实现了61.2% 的甲烷转化率，97.1% 的CO 选择性，1.81 的H₂/CO。氧载体的表征结果显示，反应前后氧载体的微观形貌以及晶相结构均未发生改变。本文的结果表明La_0.6Sr_0.4Fe_0.8Al_0.2O₃ 是适用于甲烷化学链干重整反应的高性能氧载体。

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电驱动自由活塞斯特林热泵性能实验研究

王日颖, 胡剑英, 吴张华, 张丽敏, 贾子龙, 罗二仓

工程热物理学报. 2024, 45(9): 2558-2564.

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热泵供暖技术能够有效减少燃煤取暖产生的能源消耗和环境污染，但目前常用的热泵供暖系统的低温适应性较差，难以满足寒冷地区的供暖需求。考虑到斯特林热泵技术具有十分广泛的可用温区，本文研制了一台电驱动自由活塞斯特林空气源热泵，旨在考察其在不同气候条件下的供热性能。实验结果表明，在普通、寒冷和极寒地区供暖工况下，电驱动自由活塞斯特林热泵的整机制热性能系数分别达到了2.31、1.97 和1.78。随泵热温差增大，斯特林热泵的相对卡诺效率逐渐升高，其在大泵热温差下优势更加明显。

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采用HFOs 工质的地热ORC 参数优化与热经济性评价

刘强, 王春艳, 段远源

工程热物理学报. 2024, 45(9): 2565-2571.

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建立了地热有机朗肯循环(ORC) 系统热力学和经济性模型，以最大净输出功率为目标，优化了典型氢氟烯烃(HFOs)工质R1224yd(Z)、R1233zd(E)、R1336mzz(Z) 的蒸发和冷凝温度，分析了热经济性，并与传统工质R601、R601a、R245fa 进行了比较。结果表明，最佳工况下，R1224yd(Z) 与R245fa 的蒸发和冷凝参数接近；地热水进口温度低于130°C 时，R1336mzz(Z)净输出功率最大，相比R1233zd(E) 提高1.47%∼1.89%，但是，总换热器面积增幅超过17%；地热水进口温度高于130°C 时，R245fa 的净输出功率最大，发电成本比R1336mzz(Z) 下降15.5%∼16.8%。

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乙烷及乙烷 + 丙烷低温比定压热容实验研究

盛勃闻, 赵延兴, 董学强, 公茂琼

工程热物理学报. 2024, 45(9): 2572-2579.

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本文研制了一套用于低温比定压热容(c_p) 测量的流动量热计，该量热计由恒温浴系统、流动系统、量热池和数据采集系统四部分组成，可实现115 ∼ 340 K 温度范围内的比定压热容测量，压力可达8 MPa。温度T、压力p 及比定压热容c_p 测量不确定度分别为11 mK，0.02 MPa 及0.9%。基于该量热计实测了45 个丙烷、30 个异丁烷、5 个乙烷及5 个乙烷+ 丙烷二元混合物的低温液相比定压热容数据，实测数据与高精度亥姆霍兹状态方程的计算值和呈现了较好的一致性，丙烷、异丁烷、乙烷及乙烷+ 丙烷的平均绝对相对偏差分别为0.26%、0.32%、0.31% 及0.38%，验证了该装置的可靠性。

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天然气水合物降压开采相变的热力学特性研究

田梦茹, 董爽, 李静, 杨明军, 宋永臣, 郑嘉男

工程热物理学报. 2024, 45(9): 2580-2585.

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天然气水合物开发是国家重大战略需求，距离其商业化开发还需要进一步提产增效，如何实现天然气水合物高效开采需要依托于水合物热力学机制。传统水合物热力学研究局限于相平衡特性，缺乏水合物分解过程非平衡热力学角度的考量，同时水合物分解过程中可能伴随结冰和融冰，复杂传热和传质条件下水合物开采过程的热力学特性亟待阐明。本研究利用一套2 L的天然气水合物降压开采实验系统，模拟不同分布的水合物储层，在0.55 L/min(标准工况) 的恒定排气速率下开展长降压(至1.0 MPa) 过程水合物开采研究，结果表明降压过程中水合物区域温度与压力之间存在着只受水合物分解控制的非平衡热力学关系(T[°C]=8533.8/{38.98−ln(1000p[MPa])}−275.25)，并且不受储层温度梯度影响。吉布斯相律表明相变过程热力学自由度为1，天然气水合物开采属于相变过程，其温度压力的定量关系吻合热力学理论。当水合物降压到2.1∼2.3 MPa 左右时，储层内出现瞬时结冰，导致温度突增并加速水合物分解，由于排气速率恒定，聚集的气体使压力最高上升到2.36 MPa，分析发现结冰前后水合物储层温度和压力仍满足水合物的非平衡热力学相图。本研究阐明了天然气水合物开采过程热质传递作用存在条件下相变热力学机制，能够为开采现场监测进程提供更为实用的理论依据。

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水平圆管内R245fa 高温冷凝传热特性研究

吴展涛, 夏扬凯, 罗向龙, 何嘉诚, 陈健勇, 梁颖宗, 杨智, 陈颖

工程热物理学报. 2024, 45(9): 2586-2592.

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高温热泵技术是解决工业减碳的有效方案，R245fa 因其热物性较好而被广泛用于高温热泵系统，但目前对其高温工况下的流动冷凝传热特性研究却未见报道。本文实验研究了9 mm 水平圆管内R245 fa 在干度为0.1∼0.9、质量流速为218∼393 kg·m⁻²·s⁻¹、饱和温度为80∼100°C、热流密度为11300∼22500 W·m⁻² 下的冷凝传热特性。在实验数据与传热关联式对比基础上，对现有关联式进行修正，修正后的关联式对实验数据的平均预测偏差为6.11%，预测精度显著提高。

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变湿吸附三维循环构建及能效分析

谢任禹, 雍觐源, 江龙, 张学军

工程热物理学报. 2024, 45(9): 2593-2598.

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变湿吸附法以水为杠杆来高效驱动直接空气碳捕集，目前其循环理论及能效研究相对匮乏。本文从热力学循环的角度对变湿吸附工艺进行分析，在温度–湿度–吸附量三维坐标系中构建出六步变湿吸附循环。比较了基础恒温变湿吸附循环以及六步变湿吸附循环的理想比能耗、热力学效率及吸附剂效率等循环评价指标，并分析了温湿度对各评价指标的影响规律。在25°C、30% RH 的吸附条件下，引入变温过程可至多降低28% 的捕集能耗，并将热力学效率上限提高119%。

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三热源热布朗热变换器的生态学最优性能

齐丛正, 陈林根, 戈延林, 冯辉君

工程热物理学报. 2024, 45(9): 2599-2604.

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建立了考虑传热损失的三热源热布朗热变换器的有限时间热力学模型，导出了热流平衡方程、供热率、供热系数(COP)和生态学函数的解析式。通过数值计算，研究了循环的生态学性能特性，说明了生态学函数作为优化目标时的优势。结果显示：外部传热仅会定量地降低循环的性能，而不会定性地改变循环的性能。增加换热器的总热导率可有效提升系统的性能。通过适当地调整热导率分配和内部参数，可以使三热源热布朗热变换器工作在最大生态学函数目标下。当以生态学函数代替供热率作为优化目标时，供热率减少较小，对应的COP 提升较大。

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跨音压气机动叶落后角模型修正方法研究

王啸宸, 任晓栋, 李雪松, 顾春伟, 阙晓斌, 周国宇

工程热物理学报. 2024, 45(9): 2605-2611.

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本文基于S1 流面平均流线曲率变化规律，提出了一种用于跨音动叶落后角修正的理论方法。经典亚音叶栅落后角模型与跨音修正方法缺乏激波结构参数的指导，在气流折转与做功能力预测方面误差范围较大。本文以经典的跨音修正思想为基础，将亚音与跨音条件下的落后角差异描述为S1 流面波后横向压力梯度驱动下的平均流线曲率变化的结果，建立了设计点附近跨音流动落后角的理论模型以及经验公式。上述方法应用于自主开发的流线曲率法二维通流计算程序中，针对某多级轴流压气机开展第一级跨音动叶(R1) 的落后角修正研究，获得了与试验数据及CFD 计算结果吻合良好的预测效果。

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耦合17 级压气机通流模型的燃气涡轮发动机混合维度仿真研究

王富宁, 杨晨, 张小玉, 张敏, 王子楠, 杜娟,

工程热物理学报. 2024, 45(9): 2612-2621.

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为理清不同数值缩放方法特点，发展适用于多级高压比压气机的燃气涡轮发动机混合维度仿真算法，针对某型分轴式燃气轮机及其17 级压气机，分别基于弱耦合、常规迭代耦合、完全耦合、以及本文提出的改进迭代耦合方法建立了耦合整机零维模型与压气机通流模型的整机混合维度仿真模型。对比分析不同数值缩放方法的差异，结果表明，弱耦合、迭代耦合与完全耦合方法基本可实现相同的计算精度，与试验数据的最大相对误差小于10%。其中，弱耦合方法易于收敛，其计算精度与计算效率受特性图质量等因素影响；常规迭代耦合方法计算效率虽高，但其鲁棒性在多级高压比压气机的数值缩放中难以保证；完全耦合方法计算效率较低，且对求解算法与迭代变量初值要求较高；而改进迭代耦合方法有效利用了17 级压气机压比范围宽的特点，兼具鲁棒性与计算效率，整体表现最佳。

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多级冲击冷却流动与换热特性数值研究

吴航, 杨星, 刘钊, 丰镇平,

工程热物理学报. 2024, 45(9): 2622-2630.

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本文对传统单级与多级冲击冷却的流动与换热特性进行了数值研究。结果表明，多级冲击冷却中横流在每一级的冲击腔中都重新开始累积，抑制了横流的发展，有效地降低了横流对下游冲击换热的不利影响。在相同雷诺数工况下，多级冲击结构的冷气用量大幅度节省，两级冲击为综合换热性能带来11% 的增强，证明了多级冲击具有显著的热效益。相同冷气流量工况下，多级冲击拥有更高的射流雷诺数，提升了靶面整体的换热效果，两级、三级和四级冲击可分别为靶面带来1.8、2.3 和2.6 倍的换热强化，但对泵功和射流进口总压要求较高，导致综合换热性能随分级数的增加而降低。

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基于非平衡相变的超临界二氧化碳离心压缩机气动性能分析

黄哲, 杨雯, 梁铁波, 沈昕, 欧阳华, 杜朝辉

工程热物理学报. 2024, 45(9): 2631-2639.

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作为超临界二氧化碳(SCO₂) 布雷顿循环的核心动力部件，准确分析近临界工况下压缩机的气动热力性能及损失特性对循环的高效运行至关重要。SCO₂ 压缩机在近临界点工作时易发生凝结，且凝结过程具有非平衡性，因此本文建立了基于欧拉–欧拉源项的SCO₂ 非平衡冷凝模型，并与平衡冷模型对比，评估了非平衡冷凝过程对SCO₂ 离心压缩机气动热力性能的影响。结果表明，非平衡冷凝模型对压缩机效率预测的结果更加准确；此外，非平衡的冷凝过程将导致压缩机的实际进口流量增加并使压缩机更快到达近喘振工况。

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滚动转子压缩机排气阀倾侧运动数值研究

曾旺, 潘曦, 谢军龙

工程热物理学报. 2024, 45(9): 2640-2645.

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排气阀是压缩机的关键组成部件，良好的阀片动力学特性是压缩机经济性和可靠性的保障。为探究滚动转子压缩机排气阀阀片的运动特性，本文利用计算流体力学方法(CFD) 建立了三维流固耦合计算模型。在此基础上，仿真计算得到了压缩机排气阶段压力云图、排气阀阀片圆头部分的位移曲线以及撞击过程应力分布云图。研究结果表明，阀片圆头部分靠近斜切口侧先撞击升程限制器，但在压差和扭转力矩作用下应力较大处出现在阀片圆头部分靠近气缸侧和阀片颈部，容易导致阀片断裂。

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离心叶轮全三维优化结果的敏感参数分析

张啸天, 姬成, 张晨庆, 席光

工程热物理学报. 2024, 45(9): 2646-2655.

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本文采用Sobol 敏感性分析方法提取了114 个控制参数下离心叶轮的气动性能敏感参数，通过基线叶轮与优化叶轮内部流场的对比，研究了离心叶轮全三维优化结果流动机理层次的依据及合理性。结果表明：堵塞流量敏感参数位置接近叶轮喉部，说明敏感性分析方法能找到特定气动性能的关键控制参数。压比敏感参数分布在叶片尾缘，优化叶轮对尾缘形状的改变提高了扩压器入口的相对气流角均匀度，同时没有改变叶轮出口沿展向压力相对分布情况；效率敏感参数集中于主叶片前缘，优化叶轮对叶片前缘凹凸的控制减小了冲击损失与二次流损失，实现了效率的提升。进一步研究控制参数高阶交互作用后, 敏感性分析方法可用于减少全三维优化方法的控制参数量，提高优化速度。

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翼型外形与激励参数对等离子体流动控制的影响

王丹, 王骥飞, 秦紫阳, 刘苏瑶

工程热物理学报. 2024, 45(9): 2656-2670.

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流动控制能够改善翼型受力状态从而提高气动特性，等离子体流动控制作为一种主动流动控制技术是当前研究的热点之一。本文采用等离子体唯象学模型，该模型忽略等离子体激励对动量的影响只考虑能量的注入对热效应的影响，将其与流动N-S 方程相耦合方法，使用数值模拟手段研究等离子体气动激励对不同几何外形的翼型流动分离控制效果。模拟结果表明：施加等离子体激励可以增升减阻提升翼型气动特性，同时对翼型流动分离有控制作用，随翼型厚度增加使Cl 增加量从147.7% 下降到72.6%，弯度增加使Cl 增加量从147.7% 下降到19.6%，激励流动控制效果减弱且最大厚度位置靠前或靠后均削弱激励控制效果。此外流动控制作用与激励参数有关，改变激励电压峰值和频率都会对控制效果产生影响。通过研究分析可以为后续的翼型选型和更好的选择激励参数提供帮助。

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基于多松弛LBM 的固液熔融过程模拟研究

陈维奇, 宋志超, 全栋梁, 何玉荣

工程热物理学报. 2024, 45(9): 2671-2677.

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固液熔融过程具有温度/体积变化小、潜热释放/吸收量大的特点，在工程技术中具有重要的应用。为了更好的利用固液熔融过程进行储能，本文采用具有多松弛时间碰撞模型的双分布函数格子Boltzmann 方法对方腔内固液熔融过程进行数值模拟，探究Rayleigh 数(Ra) 和Stefan 数(Ste) 对相变熔融过程的影响，并对相应无量纲结果进行展示和分析。结果表明，Ra数的增加不仅有利于对流起始时间的提前，还有利于速度涡的形成。而Ste 数会使对流起始时间略有增加，但对速度涡的形成没有明显影响。此外，Ra 数或Ste 数的增加均有利于缩短完全熔融时间。

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纳米液滴撞击润湿阵列碳纳米管的分子模拟

冯潇源, 冉景煜, 邵运璘, 黄鑫, 杨桐, 桑国华

工程热物理学报. 2024, 45(9): 2678-2686.

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利用分子动力学模拟方法研究了水纳米液滴在不同阵列碳纳米管上的润湿特性，考察了不同结构与表面改性阵列碳纳米管、不同纳米液滴初始运动状态对润湿特性的影响。结果表明：手性参数n=30、m=0 碳纳米管的抗水性能更强，顺排排列、间距为9 nm 时阵列碳纳米管有利于保持液滴形态，可避免不规则润湿现象发生；在环境温度升高过程中，纳米液滴在表面的扩散行为由液滴的铺展逐渐转变为气体的扩散；纳米液滴We 数为6.74 时，无量纲润湿半径最小，润湿过程由表面张力主导转变为惯性力主导；纳米液滴运动角度的改变不影响液滴最终润湿半径，但在小角度会出现不规则润湿现象，造成纳米液滴的动能在摩擦与形变中损耗，对抗水性能有不利影响。

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立式螺旋管内气–液两相流动参数测量与流型研究

李熙, 陈可欣, 朱彦霖, 王珩沅, 李会雄

工程热物理学报. 2024, 45(9): 2687-2695.

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由于螺旋管蒸汽发生器内部气–液两相流的流型分布和转换规律相比直管更为复杂，准确测量两相流的流型分布及预测其转换规律对螺旋管蒸汽发生器的设计和运行安全有十分重要的意义。本文开发了用于螺旋管中两相流参数测量的双头电导探测量系统，利用双头电导探针在水–空气两相流实验台上对内径为8 mm 的立式螺旋管内气–液两相流的流动参数进行了测量，使用高速摄像机记录了各流型的典型相分布特征，结合探针测量得到的两相流参数与高速摄影图像对螺旋管两相流流型的特征及转换过程进行了分析。根据电导探针的测量数据，分析了气、液相的表观速率对空泡份额、气泡速度、气泡弦长的影响，得到了气泡弦长、空泡份额、高速摄影特征及采集电信号波形类型与流型之间的对应关系。研究发现，在本实验的工况范围内，立式螺旋管中气–液两相流主要包含四种流型：塞状流、弹状流、泡状流以及类环状流，其中，类环状流对应的两相流参数分布范围最广，并且其分布的参数范围比文献中报道的该流型的分布参数范围更大。

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遮光度对激光散射法粒径测量影响及修正

苏格毅, 孙存金, 邓飞, 苏明旭

工程热物理学报. 2024, 45(9): 2696-2701.

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针对液固两相流体系分散相粒径表征中复散射导致低估粒度问题，建立基于蒙特卡罗(Monte Carlo) 方法的激光散射模型，研究高遮光度下颗粒光散射特性。为验证模型准确性，搭建一套散射光能分布和遮光度同步测量系统，对不同浓度聚苯乙烯悬浮液进行试验。结果表明：未考虑复散射时，蒙特卡罗模型与传统模型散射光能吻合度良好。考虑复散射时，随着遮光度增加，散射光能曲线逐渐偏移，反演误差逐渐变大。遮光度为0.15∼0.20，反演误差在5% 以内。然而，遮光度为0.55∼0.60，反演误差超过13%。进行误差修正，通过蒙特卡罗方法建立的激光散射模型构造系数矩阵，对粒径2.6 μm 颗粒的实验谱反演，误差在3% 以内，表明该模型可在高遮光度下准确反演粒度。

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水力段塞的压力基数值模拟算法研究

石国赟, 宫敬

工程热物理学报. 2024, 45(9): 2702-2706.

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本文提出了一种压力基算法来模拟水力段塞的初始化与发展过程。该算法首先结合双流体模型与合适的封闭关系，构建了适用于水力段塞的数理模型。其次，为解决段塞头不含气导致方程组奇异问题，提出了能够同时处理段塞体与液膜区的单相–两相耦合的压力基求解算法。结果表明，该算法能够自动初始化水力段塞，模拟分层流向水力段塞流的转换过程，并与常见流型转换图吻合，同时段塞频率、长度具有随机性，其统计量与经验关系式吻合。

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被动式太阳能多孔吸附储热墙传热特性

李威, 凌祥, 曾敏

工程热物理学报. 2024, 45(9): 2707-2713.

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本文研究了在太阳辐照强度和环境温度动态变化条件下，基于水合盐复合吸附剂的多孔蓄热墙用于太阳能直接储存转化过程的传热性能。结果表明，在有辐照的充热阶段，多孔蓄热层和流道空气出口温度先升高后降低，最大值出现在14:30 时，分别约为67.5°C 和47.9°C。20:00 之前出口温度高于30°C，此时脱附转化率为0.82。释热阶段温度先增长后趋于平稳，次日09:00 时的吸附转化率约0.75，稳定期的出口温度约39.7°C，该吸附剂蓄热层能够充分利用太阳热能实现更长时间的供热。

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混合污垢在粗糙壁面沉积特性的分子动力学模拟

王景涛, 杨佳霖, 孙鸿剑, 贾玉婷, 王兵兵, 徐志明

工程热物理学报. 2024, 45(9): 2714-2723.

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为探究混合污垢在粗糙壁面上的沉积特性，本文以MgO 颗粒和碳酸钙溶液组成的混合体系为研究对象，采用分子动力学模拟方法分析了混合污垢在不同粗糙壁面以及运动状态下的沉积机理。结果表明，在静止状态下，混合体系中Ca²⁺ 和CO₃²⁻吸附在MgO 颗粒表面和壁面上形成碳酸钙团簇，进而MgO 颗粒通过碳酸钙团簇间接地吸附在壁面上。通过分析离子与颗粒及壁面之间的相互作用势能表明，壁面粗糙系数越大，吸附的Ca²⁺ 和CO₃²⁻ 的数量越多。在运动状态下，混合污垢沉积过程与静止状态时有类似规律，剪切力的作用会延长混合污垢沉积时间，粗糙度对混合污垢沉积影响显著，MgO 颗粒在壁面上沉积不仅与MgO 颗粒表面吸附Ca²⁺ 和CO₃²⁻ 点位数量有关，还与碳酸钙团簇与壁面间的连结强度有关，并且Ca²⁺ 和CO₃²⁻ 更容易沉积在壁面粗糙结构的顶端表面和棱角附近。

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基于单胞孔隙结构的多孔泡沫界面对流换热系数研究

李文浩, 范蓉蓉

工程热物理学报. 2024, 45(9): 2724-2731.

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界面对流换热系数是采用局部热非平衡模型研究多孔泡沫流动传热过程的一个关键参数。本文采用体中心切球法构造多孔泡沫单胞孔隙结构来模拟多孔泡沫真实物理结构，在孔隙结构下进行流动换热过程的数值模拟，计算对流换热系数，并与文献中实验研究获取的努塞尔数对比以验证数值模拟准确性，然后对不同孔隙结构的多孔泡沫流动换热过程进行数值模拟计算，利用数据拟合建立界面对流换热系数准则关联式。基于建立的界面对流换热系数准则关联式，对多孔泡沫在局部热平衡及局部热非平衡两种假设下的流动传热过程进行宏观数值模拟，并与文献实验值进行对比，结果进一步验证了所建立关联式的准确性，说明基于单胞孔隙结构获取界面对流换热系数的方法是有效的，同时也验证了局部热非平衡模型能够更加精确地描述多孔泡沫的流动传热过程。

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结合ANN 的VO₂/GST 光子结构的多级动态光谱选择性调控

宋奎龙, 谢鸣, 艾青

工程热物理学报. 2024, 45(9): 2732-2735.

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光谱选择性吸收/发射的微纳光子结构广泛应用在诸多领域。本文提出了结合两种相变材料的简单多层光子结构的设计。首先采用FEM 对该结构的光谱反射进行计算，建立数据集并训练了快速计算的ANN 模型。最后展示了结合相变材料VO₂ 和GST 的光子结构的多级动态光谱选择性调控。结果显示光子结构参数为d₁=0.1 μm、d₂=0.3 μm 时，ANN 模型计算时间为1.5 s，节省了计算耗时；此光子结构的四种模态表现不同的光谱选择性吸收。为光谱选择性调控提供了多级动态调控的新设计思路。

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R32 脉动热管传热性能实验研究

李亚东, 纪玉龙, 庾春荣, 吴梦珂, 杨鑫, 刘章, 冯艳民

工程热物理学报. 2024, 45(9): 2736-2741.

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为探索高效传热的脉动热管工质，实验研究了R32 脉动热管在充液率30%∼70%，操作角度90°、45°、0°，加热功率10 W∼250 W，管径为1 mm、2 mm 时的传热性能。结果表明，低充液率下脉动热的热阻最小；操作角度在90°∼45° 范围内时，操作角度对传热性能影响较小，操作角度为0° 时无法启动和运行；随着加热功率的增加，充液率低于50% 时脉动热管的热阻先减小后增大，充液率高于50% 时热阻先减小后稳定不变；管径为2 mm 的脉动热管的传热性能最好，热阻最小为0.12°C·W⁻¹。

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锂离子电池外部短路热失控失效特征及机理

安周建, 安娴, 杜小泽, 赵亚兵, 时天禄, 张东

工程热物理学报. 2024, 45(9): 2742-2749.

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本文对锂离子电池外部短路时的电热特性及其失效机理进行了分析，并针对未发生热失控的电池在后续使用中的性能表现以及其内部潜在的热失控风险进行了探究。结果表明，外部短路时电池的温度和电压变化与内阻有关，且内阻随着SOC 和短路电流而变化。进一步外部短路电池伴随着电解液蒸发、锂金属沉积、电极颗粒破裂、隔膜闭孔等现象，影响着内部Li⁺ 传输过程。对未发生热失控的电池进行了循环测试，电池容量在循环中得到恢复，极化内阻降低至初始水平，但欧姆内阻高于初始值。并且通过二次短路分析了此类电池内部潜在的热失控风险。

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基于机器学习的齿轮泵瞬态换热特性研究

杨世宇, 林远方, 徐向华, 梁新刚

工程热物理学报. 2024, 45(9): 2750-2758.

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为研究齿轮泵的瞬态换热特性，采用多元线性回归算法构建了齿轮泵的瞬态换热模型，并提出了相应的温度预测模式，避免了复杂的建模过程。对特定时间间隔下齿轮泵出口温度的阶跃响应和余弦响应进行了预测，结果表明仿真与实验的平均相对误差仅为0.74%∼1.67%。进行了温度–流量耦合变化下齿轮泵换热特性的预测，相应的误差均不大于2.68%。对不同时间间隔下温度的阶跃响应进行了预测，结果表明在一定范围内，模型可以较好地预测各个时刻齿轮泵的出口温度。本文提出的方法可以提高热管理系统中驱动部件换热的计算效率，为实际的工程应用提供一定的技术支撑。

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同步测量相变材料固、液两相温变热导率

肖何, 周天, 许张楠, 石雷, 孙志强

工程热物理学报. 2024, 45(9): 2759-2766.

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本研究提出了一种同步测量相变材料固、液两相温变热导率的方法。其理论基础是通过将相变区域在时间尺度上离散为若干温度范围极小的温度区间，并利用反问题方法计算出热导率随温度的变化情况。实验装置满足理论模型中各项边界条件，包含相变容器、温度控制系统与数据采集系统。在70∼10°C 与60∼15°C 的工况下以正二十烷作为试样测量其温变热导率，并将测量结果与文献值中正二十烷温变热导率测量结果进行对比。实验结果表明本方法测量所得两相温变热导率测量结果可信。与传统方法相比，本研究所提出的测量方法可在一次实验中实现固、液两相温变热导率同步测量，具有较好的应用前景。

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基于等离激元颗粒的透明光热防/除冰薄膜研究

要鹏, 杨睿, 濮金欢, 杜慕, 孙锲, 刘晓燕, 唐桂华

工程热物理学报. 2024, 45(9): 2767-2772.

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基于等离激元效应利用太阳能光热防除冰是目前解决防除冰问题经济、有效、环保的方法之一。本研究提出了一种基于等离激元颗粒的透明光热薄膜，耦合离散偶极近似法、Mie 理论及蒙特卡罗方法对薄膜材料的表观辐射特性进行了模拟。计算结果表明，该光热薄膜可选择性地透射可见光并吸收紫外光、蓝紫光和红外光，非可见光吸收率、蓝光吸收率和非蓝光透过率分可达82.2%、91.8% 和78.2%。采用蒙特卡罗光线追踪法模拟了光线在不同润湿性表面冰滴中的传输过程。结果表明，超亲水表面对透过率和雾度的影响最小，疏水表面对光线透过率最低。研究结果为透明光热防除冰材料提供了一种新方案。

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混合纳米结构增强水蒸发的分子机制

王泽群, 安盟, 孙旭辉, 陈东升, 施俊文, 袁越锦

工程热物理学报. 2024, 45(9): 2773-2778.

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本文通过分子动力学模拟研究了亲疏水混合纳米结构表面对水蒸发的分子尺度影响机制。分子动力学模拟结果表明混合润湿性纳米结构表面可有效提升水的蒸发速率。通过分析水分子与纳米结构表面之间的相互作用，发现混合纳米结构表面可以调节水分子的蒸发屏障。本文有助于理解纳米结构表面水蒸发的物理机制，为设计高效的界面蒸发结构提供有效指导。

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稳定碳蜂窝结构热输运性质研究

赵冬蕾, 张晓威, 白昊, 刘小闯, 张腾飞, 刘航冰, 韩洋

工程热物理学报. 2024, 45(9): 2779-2784.

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近年来，通过实验合成的碳蜂窝结构因其力学强度大、热导率高、重量轻等特点受到了科学界广泛关注。在本工作中，我们利用非平衡分子动力学方法研究了近期提出的一种稳定碳蜂窝结构(hC28) 的热输运性质。结果表明，该结构沿蜂窝轴方向热导率远高于垂直于蜂窝轴方向的热导率，具有各向异性特征。此外，随着温度的升高，高阶声子间散射增强，模型的热导率逐渐降低。本文的研究结果对于开发碳蜂窝结构作为热传导器件具有一定的指导意义。

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麦芽糖衍生氧自掺杂电催化剂电合成H₂O₂ 性能

陈金鸿, 叶丁丁, 朱恂, 杨扬, 汪少龙, 陈蓉, 廖强

工程热物理学报. 2024, 45(9): 2785-2793.

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两电子氧还原反应原位电合成H₂O₂是一种有前景的储能及H₂O₂ 制备方法。通过一步碳化法获得麦芽糖衍生的氧自掺杂电催化剂用于电合成H₂O₂，碳化温度会改变催化剂表面官能团种类与缺陷程度从而影响其H₂O₂选择性。结果表明，在800°C 碳化的催化剂具有最优的选择性，利用含氧官能团和缺陷作为反应位点，以微孔为主的孔隙结构能促进反应位点均匀分布和物质传递。负载催化剂的空气自呼吸阴极在100 mA·cm⁻²的外加电流密度下，H₂O₂ 产率为39.88 mg·h⁻¹·cm⁻²，接近工业化可持续生产H₂O₂ 的要求。

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基于第一性原理的钙钴热化学储热材料设计

郭思佳, 田希坤, 闫君, 赵长颖

工程热物理学报. 2024, 45(9): 2794-2801.

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针对CaCO₃/CaO 储热体系在太阳能光热利用中亟需提升循环稳定性和吸光性的应用现状，提出碳酸钙与钴基金属氧化物协同储热体系。在理论层面，以第一性原理对钙钴复合储热材料光学性质进行详细计算，从电子结构角度揭示光学性能提升机制，实现材料的主动设计。在实验层面，以溶胶凝胶法制备的性能最优材料中检测到的Ca₃Co_2−xMn_xO₆ (x=0/0.5/1) 复相固溶体是光学性能提升的关键，储热材料吸光比由9.53% 提升至79.3%，30 次循环转化率由20% 提升至53.4%，具有广阔的应用前景。

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单液滴热辐射传输性能的研究

涂茂萍, 张丹, 袁洋, 韩伟, 王一笑

工程热物理学报. 2024, 45(9): 2802-2813.

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雾化蒸发是储能、碳捕集、废水处理等工业领域广泛使用的高能耗工艺环节，而利用热辐射加热液滴群不仅可实现容积式快速加热，还易结合太阳能实现绿色生产。为了实现热辐射对雾场液滴群高效、快速的加热，本文对单液滴辐射传输性能开展了研究。首先，采用区域法对不同外部辐射、液滴形态、辐射物性参数下单液滴对投入辐射的反射、吸收和透射过程建立了计算模型。其次，在投射角为0∼180°、液滴长宽比为1 ∼10、当量直径为0.1∼1.0 mm、液滴吸收系数为10∼15000 m⁻¹、折射率为1.2∼2 的范围内对其辐射传输性能开展了研究。结果指出：在反射环节，液滴总体反射率与当量直径、吸收系数无关；在吸收环节，液滴对辐射有表面式与容积式两种吸收模式，当液滴光学厚度小于1 时，容积式吸收占优，此时提高吸收系数或折射率可使液滴获得均匀快速的升温长宽比越大，升温速率越大，且对外部投射方位的选择性越强；液滴的总体吸收率随当量直径的减小或长宽比的增大而降低、随投射方向几乎不变；在透射环节，随当量直径的减小或长宽比的增大，与投射方向位于长轴异侧的透射辐射定向辐射强度迅速增大、液滴总体透射率单调升高。本文研究结果可为热辐射加热液滴群等工艺环节的设计与调控提高参考。

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污染物凝胶的重构及热质传递和污染特性分析

王琦, 张立志

工程热物理学报. 2024, 45(9): 2814-2821.

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防凝胶污染是膜脱盐技术的难点之一。本文采用化学交联法对海水淡化实际操作条件下产生的凝胶污染物进行了重构，并对凝胶的各种理化性质进行了测试和表征。重构既解决了真实海水实验时需要长时间运行的缺点，又优化了使用简单自制盐水实验时不能有效解释凝胶污染真实特征的问题。测试结果表明，凝胶层的低热导率使膜两侧温差减小，这与凝胶的致密结构共同导致了产水系统阻力的增加。凝胶层的亲水性质和兼具黏弹性的特点，使其具有较强的抗拉压应力和抗冲刷能力，容易黏附在膜表面上。粗粒化模拟所构建的模型可以反应凝胶的部分真实参数，可用于后续计算。

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富氢燃料气预混湍流火焰结构特性研究

邹俊, 孙国震, 张扬, 张海, 吕俊复

工程热物理学报. 2024, 45(9): 2822-2830.

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本文研究了富氢燃料气受拉伸湍流火焰微元的高温区结构特性，并利用激光层析成像实验技术(Laser Tomographic Visualization, LTV)，结合数值模拟方法，定量刻画了层流和湍流拉伸熄灭过程中高温区结构变化的现象。结果表明：不同出口流速下的火焰高温区厚度随着当量比增大而增大，出口流速增大，火焰受到拉伸作用增强，高温区厚度减小。层流火焰面相对而言更稳定，因此高温区的上下边界所在的位置和形状也相对变化小，湍流涡团则会破坏高温区结构，使得火焰高温边界出现剧烈波动和褶皱。湍流强度的增加使得火焰高温区厚度也增厚，对比强湍流条件下火焰高温区边界的变化规律以及喷嘴出口处的能谱分析结果，结果表明火焰进入了薄反应区(Thin Reaction Zone, TRZ) 燃烧模式。

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低压条件下线性浮力主控湍流扩散射流火焰行为实验研究

袁依琳, 张晓磊, 胡隆华

工程热物理学报. 2024, 45(9): 2831-2838.

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本文利用不同线性比的燃烧器，以丙烷为燃料，开展了不同压强条件下浮力主控扩散射流火焰燃烧实验，研究了火焰高和火焰振荡频率随燃烧器线性比、环境压强和热释放速率的演化规律。实验结果表明：火焰高度随燃烧器线性比的增加而降低，随压强的减小而增大，随热释放速率的增加而增大，而火焰振荡频率随燃烧器线性比的增加而略微减小，随压强的增加而增大，与热释放速率的相关性不大。基于空气卷吸机制分析，以及斯特劳哈尔数(St) 和弗劳德数(Fr) 之间的无量纲关系，建立了耦合环境压强影响的线性火源火焰高度与火焰振荡频率无量纲模型。

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聚叠氮缩水甘油醚GAP 热分解特性研究

周银涛, 初庆钊, 廖丽涓, 毛倩, 石保禄

工程热物理学报. 2024, 45(9): 2839-2846.

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掌握聚叠氮缩水甘油醚(GAP) 的高温热解特性对提高固体推进剂能量释放水平具有重要意义。本文采用ReaxFF 分子动力学方法在原子尺度上对GAP 的热解过程进行研究，获得了高温高压下的热解动力学参数。通过原子追踪手段发现了主要气相产物存在的两种生成路径，即N₂、CO、CH₂O 和HCN 主要通过逐步分解反应得到，大部分H₂O 和NH₃ 由GAP分解产生的H、OH 和NH_x 自由基间的结合反应生成。对不同密度GAP 热解的计算结果显示，初始密度越大，分解反应越弱，自由基结合反应越强。

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半开窄管道中泰勒弥散对火焰影响的数值研究

陈灿若, VALIEV DAMIR

工程热物理学报. 2024, 45(9): 2847-2852.

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本文采用直接数值模拟方法对无量纲管径、热膨胀系数、刘易斯数和泽尔多维奇数进行大量参数研究，讨论半开放窄管道中泰勒弥散效应对于预混合火焰(在闭口端点燃向开口端传播) 传播的影响。数值模拟结果阐释了火焰燃烧速率与管径之间的非单调依赖关系，这种非常规的依赖关系进一步揭示了泰勒弥散效应与火焰拉伸效应的相互竞争。此外，本文基于大量数值模拟计算总结了泰勒弥散效应主导火焰行为的管径和热膨胀系数范围。本文还发现，由于泰勒弥散效应主导下火焰增厚和不易拉伸的特点，使得刘易斯数和泽尔多维奇数对于窄管道中火焰燃烧速率和火焰结构的影响非常微弱。

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反应热历程对微波辅助生物质热解产物的影响机制

孙道广, 李方舟, 仰科, 张会岩

工程热物理学报. 2024, 45(9): 2853-2860.

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微波辅助生物质热解中复杂的能–热转化过程对产品性质具有重要影响。本研究考察了不同工况下微波辅助生物质热解热历程和产物分布特性，建立了微波辅助生物质热解过程中电磁波-热量传递方程与热解反应动力学相互耦合数值模型。结果表明，与常规热解相比微波辅助热解独特的热历程导致热解气中合成气(CO+H₂) 的产率提升(0.71∼7.43 倍)；对生物油中芳烃组分的选择性增加(4.87%∼18.8%)。通过改变微波吸收剂介电性能、添加比例和微波功率调变反应热历程，一定程度上实现了对产物组成的定向调控。

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基于粒子群算法的燃烧反应动力学机理简化方法

林圣强, 张现发, 吴悠, 朱锦娇, 易婷, 熊永莲, 李春生, 孙嬿, 杨斌

工程热物理学报. 2024, 45(9): 2861-2866.

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针对目前线性简化方法在简化详细机理过程中出现的不稳定性及预测不确定性较大的现象，本文提出一种基于智能算法的新型燃烧反应动力学非线性简化手段，并应用此方法对USC-Mech II 和JetSurF 2.0 详细机理进行简化，从而分别构建乙烯和正癸烷燃烧简化机理。结果表明，基于非线性方式的粒子群简化方法可以获得更加精简的简化机理；最终形成22 组分的乙烯燃烧机理和45 组分的正癸烷燃烧机理；在相似验证范围下，粒子群算法获得的组分数均少于其他简化方法所获得的组分数。

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二甲醚/氨对冲扩散火焰熄灭特性及动力学分析

宋钰, 张尊华, 周梦妮, 徐双, 李格升

工程热物理学报. 2024, 45(9): 2867-2875.

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氨作为一种应用前景广泛的清洁燃料，近些年来受到广泛关注。本文利用对冲火焰试验装置研究了二甲醚/氨混合物冷焰和热焰的熄灭特性；并对二甲醚/氨的低温和高温化学动力学进行了分析。结果表明，随掺氨比的增加，二甲醚/氨混合物冷焰和热焰熄灭极限减小。在二甲醚/氨混合物冷焰中，主要通过氨与二甲醚抢夺OH、反应DME + NO ⇐⇒ R + HNO 以及反应RO₂ + NO ⇐⇒ RO + NO₂ 三种途径抑制二甲醚的低温反应性。在二甲醚/氨混合物热焰中，主要通过氨产生的OH、H和O 自由基反应及反应HCCO + NO ⇐⇒ HCNO + CO 和HCCO + NO ⇐⇒ HCN + CO₂ 来提高二甲醚的高温反应性。此外，研究发现在二甲醚/氨混合物冷焰和热焰中主要的氮氧化物分别为NO₂ 和NO。

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