测试测试测试测试测试测试测试测试测试测试测试测试测试测试测试测试

作为㶲的衍生概念，能质和能量品位的应用近四十年来在热科学领域的实践中取得了巨大的成功，然而其概念和计算并未得到全面的厘定，相关应用的总结和归纳在文献数据库中也十分鲜见。本文基于文献调研，首先对能质和能量品位的概念历史发展进行了梳理，后对其概念计算方法及相关基准问题进行了说明，最后对该概念衍生的分析方法及其应用进行了介绍。另外，本文还对热力学语境下的能势概念进行了初步的整理。本文清晰展现了能质、品位和能势领域研究的历史和进展，有助于对相关概念的厘定和思考。

应用有限时间热力学理论，建立了变温热源内可逆空间闭式简单布雷顿循环模型, 导出了功率和热效率的表达式。求解方程得到了最佳低温热源温度，分析了循环的基本性能特性。当总换热器面积一定时，通过优化面积分配比得到了循环的最优性能，由优化低温热源温度进一步得到了双重最大功率。最后，在面积比分配和低温热源温度优化的基础上，对工质和热源间的热容率匹配进行优化，得到了三重最大功率。

锂离子电池凭借其高比能、长寿命、高功率等优点而得到了在新能源汽车和储能等领域的广泛应用。然而，锂离子电池的安全性问题仍是阻碍其大规模发展的重要问题。本文首次提出了自毁电池的概念，旨在探究清楚电池内部的热失控主反应机理的基础上，通过释放特定自毁剂的方式，达到对电池内部的某一特定反应阶段进行靶向阻断的效果，从而从源头上有效抑制电池热失控的发生，降低电池发生热灾害的风险。本文将对自毁电池的研究思路和进展进行简要概述，为电池系统的热安全性设计提供依据。

本文针对液氢储罐零蒸发需求，探讨热声发动机驱动300 W @ 20 K 低温制冷机的可行性及所需解决的关键问题。首先利用SAGE 对热声驱动脉管制冷机系统进行整机一维模拟计算和优化设计，获得系统结构参数与热力性能，再采用CFD 方法针对大尺度热声发动机的复杂流动和换热问题进行二维仿真，旨在阐明实际系统中存在的关键问题并提出相应解决措施。结果表明，热缓冲管在冷热混合损失中起到最为关键的作用，去除次水冷器对于抑制热缓冲管中的局部二次流从而降低冷热混热损失效果明显，同时其内部速度场的分布还对Gedeon 直流具有一定的调节作用。此外，本文还讨论了大尺度热声发动机中的余热利用换热器与承压壳热应力等问题。

为提高固体氧化物燃料电池 (solid oxide fuel cell，SOFC) 的系统效率、降低碳捕集能耗，提出了一种基于SOFC、有机朗肯循环和功冷联供循环的系统，并利用制冷量液化回收CO₂。通过Aspen Plus 软件搭建联供系统模型，并在设计工况下，探究了SOFC 运行压力、电流密度、燃料利用率、汽碳比对系统热力性能影响。结果显示，SOFC 发电效率为46.19%、系统总发电效率为72.47%、功冷联供效率为85.48%，与使用三级压缩液化CO₂ 相比，总效率提升1.74%。当SOFC 运行压力为0.7 MPa，系统总发电效率最高，为72.48%；当电流密度增至极限电流密度6000 A/m²，电压极化损失增幅变大，对电池产生负面影响；燃料利用率为0.85 时，SOFC 发电效率达到最佳值46.19%；汽碳比对整个系统影响较小，但存在最佳汽碳比值3，使系统效率及功冷联供效率最大，分别为72.49% 和85.70%。

本文在一台低速单级轴流压气机上开展了旋转畸变对其气动稳定性影响的实验研究。通过进口安装可调节转速的扇形畸变片模拟旋转畸变进气条件，并在转子叶顶周向和弦向布置压力传感器测量壁面非定常压力信号，通过失速过程和端区瞬态流场分析等研究了旋转畸变对压气机稳定性影响机制。结果表明：不同旋转畸变对压气机稳定性存在不同影响，畸变片与压气机反向旋转时，对其稳定性影响不大。当畸变片以0.5 倍转子转速与压气机同向旋转时，压气机稳定裕度衰减最大，该现象仅与畸变片转速有关，与畸变片大小和个数无关；此时存在失速团产生-传播-消失-再产生的过程，经历几次该过程后最终进入旋转失速状态，本文通过畸变片与失速团之间的相对位置，结合端区流场的分析解释了该失速现象发生的原因。失速团在畸变片下游出现，此时端区流场恶化，叶顶泄漏涡溢出转子前缘。随后失速团以48% 转子转速周向传播，由于畸变片旋转速度略高于失速团，两者相对位置发生变化，当失速团位于畸变片上游时失速团消失，此时端区流场流动恢复正常。

叶尖泄漏流动对叶轮机性能有重要影响。混合RANS-LES 方法作为一种兼顾准确性和计算成本的方法，已逐渐开始应用于预测叶轮机内复杂流动。延迟脱体涡模拟(Delayed Detached Eddy Simulation, DDES) 是一种常用的混合RANS-LES方法，一定程度上结合了RANS 及LES 方法的优点。本文采用LES、DDES-SST、DDES-SA 对课题组前期所提出的简化的叶轮机转子叶尖泄漏流动模型的泄漏流动进行了数值模拟，基于LES 模拟结果，对比了两种DDES方法对泄漏流动的预测性能。对比结果表明，DDES-SA 方法低估了叶尖泄漏涡强度，原因是其在涡核处生成了过大的湍流黏性；DDES-SST 方法预测叶尖泄漏流动好于DDES-SA 方法，其预测值和大涡模拟数据更为接近，但仍有较大的提升空间。

基于双向流固耦合方法对高压比离心叶轮的静气动弹性问题进行了数值研究，分析了叶片在离心和气动载荷下的变形及变形对气动性能的影响，并对叶片进行了预变形设计。结果表明：叶片变形主要表现为叶顶间隙的改变与周向扭转变形，其中叶顶间隙变化致使前缘泄漏流量减少，相同流量工况下的气动性能有所提高；而扭转变形造成了通道激波的后移和堵塞流量的减小。通过对初始叶片进行预变形设计，消除了叶片变形造成的性能曲线偏离、间隙不均匀以及堵塞流量减小的现象。

抽蓄机组甩负荷工况下，整个过程水力矩剧烈波动，复杂的流态促成空化现象的发生，进而对流场造成更大的影响。本文主要基于多相流空化模型对原型水泵水轮机进行全过流系统甩荷过渡过程数值模拟，探究了空化现象的发生对机组瞬态过程的影响。结果表明，抽蓄机组甩负荷过程中空化现象主要有发生在靠近顶盖的叶片背面的翼型空化以及短时且高频发展与溃灭的空腔空化，并且发现了尾水管的涡带变化过程为：同心柱状–偏心螺旋–幕布状涡带，研究结果对抽蓄机组甩负荷运行稳定性具有参考意义。

漂浮式风电机组平台受风载和波浪载荷联合作用，存在复杂的多自由度运动。同时还存在海面垂直风切变效应，风电机组展现出较强的非定常特性。以NREL 5 MW 风电机组为研究对象，在不同强度的风剪切来流下，依据波浪和风载的作用规律，研究平台纵摇和纵荡的单独以及耦合运动对机组气动特性和速度分布的影响。结果表明：平台运动对于总体性能具有主导作用，但风剪切的影响不可忽略。平台运动作用下，随剪切指数的增大，波幅先减小后增大。风剪切指数较大时，风轮垂直风剪切效应较为强烈，风轮所受总体推力的变化波动幅度以及时均量值较高，整体受到较大力载。

本文结合动网格技术和运动学方程，利用平衡溶解空化模型对不同负载下的某大型可倾瓦轴颈轴承进行油膜数值仿真和流动分析。通过对五个不同负载下轴承可倾瓦的转动角度和转子的移动进行分析，模拟得到平衡状态下的油膜厚度分布，与实验油膜测量结果符合良好，说明平衡溶解空化模型、运动学方程和湍流模型组合的THD 模拟方法能准确预测不同负载下的轴承油膜。通过分析仿真结果，发现随着负载增加，承载区湍流减弱，非承载区湍流增强，使得空化变多。同时，气体增多导致多相流动黏度下降，进而湍流增强。由此说明流动特性、热特性、空化特性共同影响轴承的性能，为可倾瓦轴颈轴承在多工况下的准确仿真提供方法。

采用数值计算方法对1.5 级涡轮进行全三维模拟，捕捉叶尖区域泄漏流主要流动特征。针对叶尖泄漏问题，分别在叶尖吸力面、压力面以及全周添加小翼，分析不同位置、宽度的叶尖小翼对泄漏流动的调控机理。结果表明，叶尖小翼能改变叶顶吸力面和压力面静压分布，静压力差降低，泄漏量减小且泄漏涡的产生推迟，泄漏涡与上通道涡掺混作用降低。总体上，全周小翼的流动调控能力最佳，涡轮等熵总总效率提升0.52%，吸力面小翼次至之，压力面小翼最差。叶尖小翼的控制效果与小翼宽度呈正比。

基于SJ-10 返回式科学实验卫星单气泡沸腾(SOBER-SJ10) 实验装置正交双CCD 观测系统特征，开发了基于双目视觉算法的图像分析方法，对空间微重力环境单气泡沸腾实验模式下气泡生长过程进行了定量分析。基于加热面局部温度测点数据，分析了微重力单气泡生长过程中底部温度和热流密度的演化特征。微重力条件下，气泡底部接触线区域维持了高效的相变换热，通过底部接触线区域的蒸发–顶部气液界面的冷凝维持了微重力单气泡沸腾传热。图像与科学数据分析结果，包括微重力条件下单个气泡生长过程中气泡形态演化特征与生长气泡底部局部传热等数据，不仅揭示了微重力沸腾传热性能得以维持的细观机制，也为进一步发展沸腾气泡模型提供了可资校验的实测数据。

本研究采用液固两相欧拉–多流体模型和多相质点网格法(MP-PIC)，结合不同曳力模型对液固流化床内不同密度的二元颗粒流动特性进行数值模拟研究。模拟结果表明，欧拉–欧拉双流体模型(TFM) 和多相质点网格法(MP-PIC) 都能预测液固流化床内二元颗粒流动过程，但多相质量网格法(MP-PIC) 的预测结果能够再现液固流化床内二元颗粒的分离特性。相比于Gidaspow、Wen-Yu 曳力模型，BVK 曳力模型考虑了多组分的流动，对二元颗粒系统具有更好的适用性。动态分离指数被用于定量分析液固流化床内二元颗粒的分离特性，随着颗粒的流动，颗粒的分离指数先急剧增加然后缓慢减小，最终趋于稳定达到动态分离。通过对颗粒弥散系数和颗粒拟温度的分析，发现双组分颗粒的相互作用存在明显差异，多相质量网格法(MP-PIC)能更好预测粒子之间的局部相互作用。

返排液组成动态分析是评估压裂作业方法和表征储层特性的一种有效手段，本文以长庆油田多个致密砂岩储层的天然气井压裂作业为研究对象，采用X 射线荧光光谱法分析了多个井位探压后不同返排时间返排液的离子组成及变化规律，同时通过pH 值、化学需氧量、流变学、表面张力及接触角等，分析压裂液渗透进入岩层后，岩层中矿物溶解、迁移过程及相互作用机理。研究发现，返排液中离子含量趋于稳定的时间为10~20 天，大多数离子含量在18 天左右趋于稳定；返排液每日排出液量稳定的时间为19 天，每日产气量达到稳定的时间为20 天，三者趋于稳定的时间基本相当，因此压后返排液的离子含量变化特征能够反映压裂液与岩心的相互作用，为优化生产制度提供理论依据。

本文采用多相流体网格质点方法探讨了流化床煤气化系统中颗粒尺度行为及不同操作参数(床层温度、气化剂流率) 对气化特性的影响。研究结果表明：气化系统床层底部及稠密区处传热系数较大；煤和惰性床料的传热系数轴向分布不均匀且具有不同的分布特征；随着床层温度的升高，煤和床料的传热系数均增加；提高气化炉内床层温度、空气流率、氧气流率和蒸气流率，碳转化率分别提高了16.3%、2.8%、4.1% 和2.8%；与其他操作条件相比，床层温度对提高碳转化率的效果最显著。

利用声波操纵微纳米尺度物体的声分选技术能够实现微生物的非接触控制，在医学领域具有良好的应用前景，由于微通道内小雷诺数流动的特点，提高分选通量成为目前声分选研究中需要实现的目标之一。基于格子-Boltzmann 方法，本文对声表面波形成的驻波声流及驻波声流中悬浮颗粒的运动规律进行了研究，结果表明，增加运动黏度、减小声源波长、降低声波振幅、缩小板间高度能够使Rayleigh 流区域所占比例及强度减小；通过增加涡旋数量能够缩短悬浮颗粒与平衡位置的距离、加快颗粒响应速度、增加颗粒在通道内的分布列数，从而为提高分选通量提供可能。

环保工质R1234ze(E) 和R600a 作为潜在的理想替代工质，其在工程实践中的应用离不开准确的传热数据支撑。本文在已有的R1234ze(E) 和R600a 实验数据的基础上，通过反向传播(BP) 人工神经网络模型分别发展了传热系数预测模型，其预测效果优于文献中的经典传热模型。同时为拓展模型的预测能力，本文还基于R1234ze(E) 和R600a 发展了一个更为通用的BP 传热预测模型，对R1234ze(E) 的预测结果的ARD 为4.08%，AARD 为8.46%，λ10% 为70.2%，对R600a 的预测结果的ARD 为−3.59%，AARD 为6.98%，λ10% 为76.4%，对于6 篇文献数据的预测结果的ARD 范围为−17.9%~26.8%，AARD 不超过27.6%，λ30% 不低于60.0%，由此可见该模型具有一定的预测精度和普适性。

基于多层膜结构热辐射器，本文发展了考虑非辐射复合的近场热光伏系统性能优化模型。优化后得到的近场热光伏系统，可以实现600 K 温差下的转换效率为33.44%。并对不同温度下优化结构的近场热光伏系统性能进行了分析，包括转换效率，电池输出能量密度和电流密度。结果表明当温差为900 K 时，优化结构近场热光伏系统最高效率为41.94%，此时最大电流密度为13390 A·m−2。并且通过在热辐射器表面覆盖石墨烯，实现了近场热光伏系统的性能主动调控特性，当石墨烯化学势能为0.1 eV 时，近场热光伏系统的最大转换效率为43.51%。本文通过优化调控近场热光伏系统，有助于加快近场热光伏系统在工业余热高效回收利用方面的发展和应用。

本文针对槽式太阳能集热管非均匀受热问题，设计了新型内置环状翼涡发生器，并采用数值模拟对内置环状翼槽式太阳能集热管内传热与流动性能进行了研究。结果表明，环状翼的尾部形成一对纵向涡；该纵向涡可减薄热边界层，并使管内冷热流体混合更加均匀，有效地减少了吸收管的高温区域，同时管壁平均温度降低了35.9~88.1 K，保证了系统的安全运行。

LED 照明系统能够利用太阳能电池作为电力来源。本文对LED 芯片材料GaN 的光电性质进行了研究，这对提高LED 的发光性能具有指导意义，并为后续Al,In 共掺杂GaN 的相关研究提供了参考依据。构建了理想GaN 的计算模型并使用第一性原理计算方法研究了理想GaN 材料的电子结构和光学性质。计算结果表明: 理想GaN 符合直接带隙半导体特征，其带隙值为1.706 eV，且电子的分布还会影响GaN 的光吸收特性。随着光吸收系数的增大，光衰减的速率就会变大，对应着光吸收能量增大。

本文基于第一性原理计算结合声子玻尔兹曼输运方程(BTE)，研究了单层MoS2 热输运的温度与尺寸依赖性。单层MoS2 的热导率主要由TA 和LA 模式的声子贡献，光学支的贡献极小，并由于带隙的存在与声学声子的散射十分微弱。通过限制具有长平均自由程(MFP) 的声子的贡献，体系尺寸的减小也显著限制了热导率。将体系的尺寸限制到100 nm 以下后，温度效应的影响不再显著，这归因于本征声子–声子散射与声子–边界散射之间的竞争，并通过散射率的计算进行了证明。

本文以某350 t·d−1 垃圾焚烧炉为研究对象，采用数值模拟方法，分析一级蒸发器下部集箱积灰对蒸发器以及高温过热器周围温度与流场分布的影响；并提出将一级蒸发器前两排管改造至第三烟道处，优化烟气流场分布和受热面的换热特性。结果表明：蒸发器管道下部集箱积灰对高温过热器烟气走廊处流场和温度分布存在明显影响，管道积灰不仅增加灰垢热阻，降低了其自身换热能力，热负荷向后偏移；且导致周界烟气温度升高。排管优化改造后，一级蒸发器的积灰影响减弱，流场趋于正常，高温过热器烟气走廊处的流场流速和温度有明显下降，高温过热器烟气走廊处的绕流减少且整体换热特性有明显提升，降低了高温过热器高温腐蚀风险，对实际运行起到改善作用。

高热流密度电子元件的散热需求日益增加，为了有效提高双层微通道热沉的散热性能，本文设计一种双层微通道热沉，即上层为截断矩形微通道，下层为含有不同交错排列微针肋的微通道；旨在适当牺牲部分压降的同时提高热沉的换热性能，并与上层无截断型或复杂微通道，下层皆为复杂微结构热沉做对比。采用数值模拟方法，通过对不同微通道流动特性与传热特性的分析。结果表明：与其他几种微通道相比，下层微通道采用六边形微通道，上层采用截断矩形微通道在牺牲一定压降的同时传热性能得到提高，改善微通道底面温度分布均匀性, 相较于传统双层矩形微通道，在入口雷诺数417 时，其底面最高温度下降2.44K，热阻下降约25%，努塞尔数增大45% 左右，整体传热性能(PEC) 达1.335。

热导率在许多传热工程中发挥着重要作用，传统研究往往忽略了多孔介质孔隙表面的粗糙性，因此本文基于热电相似理论，考虑多孔介质内部孔隙微观结构的统计自相似特征，建立了具有粗糙表面的非饱和多孔介质中热导率的分形模型，详细分析了多孔介质的结构参数，比如孔隙率、粗糙度以及液相饱和度等对有效热导率的影响机理。理论研究结果与实验数据吻合较好，验证了本模型的正确性。此外，研究发现有效热导率随着液相饱和度的增加而增加，随着相对粗糙度的增加而降低。本模型没有经验参数，每个参数都有明确的物理意义。本文所提出的热导率模型可推广用于预测分形多孔介质的热输运性质。

阻碍池沸腾性能提高的关键挑战在于有效排出大量蒸汽并向受热面提供新鲜液体。本文采用微通道阵列形成分离的汽液通道，实现液体补充和主动强制对流，强化池沸腾换热性能。采用平直和扩张微通道在0.1 MPa 下进行去离子水的饱和池沸腾实验，比较了其上的气泡行为、沸腾曲线和传热系数。由于微通道阵列的连续排汽和供液，160 W/cm² 下的壁面过热度降低了14°C，沸腾换热系数提高了2 倍，验证了利用受限拉长气泡的表面张力效应诱导受限微通道内气液分离流动的有效性。

本文通过实验研究了微通道(1.91 mm×2.55 mm) 换热器内R141b 的流动沸腾换热与压降特性，分析了质量流量(9.8~16.3 kg·m⁻²·s⁻¹)、饱和压力(138 kPa、164 kPa、236 kPa) 和热流密度(2.2∼20 W·cm⁻²) 影响换热系数和摩擦压降的规律。结果表明：随热流密度的增加，摩擦压降增大而换热系数先增加后减小；随饱和温度升高，摩擦压降降低但换热系数增大；随质量流量增大，摩擦压降增大，而且在高干度区换热系数随质量流量变化显著。实验结果与已有的沸腾换热关联式和均相压降模型的预测结果进行对比。

本文针对80°C 高温密闭环境下工作的电子设备，提出了带有复合翅片结构的固-液相变热沉设计。通过数值模拟对比了三种强化传热手段对控温性能的影响，包括复合翅片结构、添加泡沫铜高导热基体、添加碳粘接碳纤维高导热基体。结果表明当热流密度为2.45 W·cm⁻² 时，采用复合翅片结构的热沉控温时间最长，电子设备运行温度最低。通过增材制造制备样件开展实验研究，实验热流密度为0.82~2.45 W·cm⁻²，与数值模拟结果进行对比验证了模拟的可靠性。在最大热流密度下，热沉控温时长达到240 s，达到截至温度时相变材料基本完全熔化，验证了复合翅片结构的有效性。

燃料在高温条件下发生的热裂解反应能有效提高燃料再生冷却过程中的吸热能力，然而由于裂解反应与传热传质过程相互耦合影响，因此传统的换热关联式模型在描述燃料裂解反应过程的换热特性时存在较大偏差。本文对控制方程进行无量纲化推导，寻找无量纲数之间的联系，引入关于反应速率常数的修正系数，从而提出了一种考虑裂解反应影响的换热关联式模型建立方法。通过与数值仿真结果对比发现：传统关联式模型预测值与数值仿真结果的最大偏差在20% 以上，本文针对低转化率裂解反应过程提出的关联式模型，最大偏差为4%；中高转化率反应过程提出的换热关联式模型最大偏差为3%。

本文采用随机微粒群优化算法(Stochastic particle swarm optimization, SPSO) 对皮肤表面肿瘤热疗方案进行优化设计。首先介绍了激光辐照下生物组织内部光热传输模型，并采用有限体积法求解了Pennes 传热方程。然后介绍了标准PSO算法和SPSO 算法基本原理。最后利用肿瘤边界温度作为控制参数建立目标泛函，采用SPSO 算法使其最小化，优化选取了激光加热参数，降低激光诱导肿瘤热疗过程中对正常组织的热损伤。计算结果表明，SPSO 算法可以有效地优化激光诱导肿瘤热疗方案，改善肿瘤热疗效果。综合考虑计算效率和优化精度，推荐种群数取50。

疏水表面滴状凝结(DWC) 在工业上引起了广泛关注。本文针对倒圆台阵列纳米结构进行液滴冷凝行为的研究。采用分子动力学模拟方法，讨论了不同表面过冷度对冷凝过程中液滴动态行为的影响。发现脱湿转换过程的发生受到表面过冷度的影响：低、中表面过冷度下，冷凝过程只存在单次成核和一次脱湿转换，脱湿机理为单个液滴在拉普拉斯压差作用下将纳米结构间隙内液体原子拉出；高表面过冷度下，液滴的凝结过程经历了多次核化与多次脱湿转换过程，其脱湿机理分为两种：当体系内只存在单个冷凝液滴时，脱湿机理与低、中表面过冷度条件下保持一致；当体系内存在两个甚至多个冷凝液滴时，脱湿过程的完成依赖于多个液滴合并时释放的表面能和合并后自身液滴内部的拉普拉斯压差的共同作用。

为验证动力学模态分解(DMD) 方法分析管束流场特征的有效性，本文对流体横掠顺排管束和叉排管束进行数值模拟。用DMD 方法对仿真得到的涡量数据进行处理，提取流场涡量的模态数据，结合模态云图对流场特征进行分析，并利用模态数据对流场进行还原。结果表明在样本数据量足够的情况下，DMD 方法能够有效地对流场的主要结构进行提取，且利用该方法还原的流场和数值模拟结果吻合较好。通过对比主要阶模态的叠加结果，观察到顺排和叉排管束对涡发展的影响不同。

汽油机复合燃烧可以有效提高汽油机热效率，然而随着稀释度和压缩比提高，汽油机火花点火和火焰传播过程受到抑制，造成火焰传播和燃烧放热不稳定等现象。随着发动机部件设计水平的进步及控制系统的升级，汽油机能够实现更短时间间隔、能量更稳定的多次点火，并提升点火能量。在一台热力学单缸机中研究了多次点火时刻、间隔对复合燃烧放热过程的影响，探索了不同稀释度条件下多次点火对复合燃烧过程的调控和优化能力。结果显示，多次点火可以增强单次点火复合燃烧前期过程，调控燃烧相位并缩短燃烧持续期，提升发动机指示热效率。

本文利用单液滴蒸发实验研究了预浓缩高盐脱硫废水液滴蒸发特性，比较了高盐废水与普通废水液滴蒸发行为异同，并开展了喷雾蒸发适应性实验。结果表明，液滴蒸发存在收缩-膨胀-再收缩三阶段，高盐废水蒸发速率更低，但因其含水量少，总蒸发时长更短；液滴膨胀和内部气泡生长规律相关，高盐废水呈多气泡长大模式，普通废水呈孤立气泡快速长大模式；环境温度升高可加快废水蒸发，但蒸发产物将在高温下分解；实验工况下高盐废水喷雾蒸发产物含水率低于普通废水。