工程热物理学报

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代宝民, 张佳宁, 曹羽, 陈亚菲, 刘圣春, 赵霖, 王越, 肖鹏

工程热物理学报. 2024, 45(11): 3227-3232.

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为解决CO₂ 制冷系统性能偏低的问题，基于天空辐射冷却技术，提出了天空辐射过冷CO₂ 制冷系统。建立其数学模型，并对其应用于北京某商超冷冻冷藏系统的典型日、典型周以及全年性能进行分析。结果表明与基础CO₂制冷系统相比，采用天空辐射过冷技术可提升系统性能系数(COP)，降低CO₂制冷系统排气压力。COP 提升率受环境温度和太阳辐射强度的综合影响，夏季COP 提升率最高，平均为39.33%，秋季COP 提升率最低，平均为8.48%。天空辐射过冷技术对系统全年运行性能均有所提升，全年COP 提升率为11.68%∼49.55%，平均提升率为25.55%。本文为CO₂制冷系统的性能提升提供了理论参考。

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低倍聚光太阳能纳米流体PV/T 系统实验研究

王刚, 陈翔龙, 林建清, 姜铁骝

工程热物理学报. 2024, 45(11): 3233-3238.

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本文设计并搭建了一种使用低聚光倍数的复合抛物面(CPC) 聚光器的双流道太阳能光伏/光热(PV/T) 系统实验装置。介绍了该双流道PV/T 系统的设计原理和实验装置的组成，制备了Ag 纳米颗粒和Ag/水纳米流体，并对不同浓度的Ag/水纳米流体的光学性能进行了测试。对使用Ag/水纳米流体的双流道PV/T 系统的运行进行了全天实验测试，测试结果表明，使用Ag/水纳米流体的双流道PV/T 系统可以维持长时间的稳定运行，具备相对较好的日应用技术可行性。使用Ag/水纳米流体的条件下，PV/T 系统稳定运行时的热效率约为56.1%，效率约为25.5%，光伏组件的填充因子和最大输出功率为0.602 和74.2 W，PV/T 系统的总电效率为8.5%。

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基于LNG 冷能的冷冻淡化与蓄冷系统

兰文超, 刘曦, 叶楷, 陈龙祥

工程热物理学报. 2024, 45(11): 3239-3242.

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本文提出了一套LNG 冷能回收冷冻淡化蓄冷耦合系统，LNG 冷能驱动有机朗肯循环做功的同时，实现海水的冷冻离心淡化后，将离心的脱盐冰作为蓄冷介质储存，并对系统展开热力学和经济性分析。结果表明，系统的淡水日产量为119.66 t，对外输出净功为52.10 kW，投资回收期为3.23 年。新型耦合系统的淡化成本为0.48 USD·t⁻¹，远低于传统的反渗透膜淡化成本。

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面向可再生能源消纳的热网质–量并调优化

霍硕杰, 王江江

工程热物理学报. 2024, 45(11): 3243-3252.

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为解决由综合能源系统内部强热电耦合引起的可再生能源消纳低等性能恶化问题，本文提出了基于热网在质–量并调模式下的综合能源系统运行策略。通过采用序贯性凸规划近似求解算法对优化模型进行求解，研究了多种可再生能源比例下热网调节优化对系统的影响，将所提质–量并调模式与参考模式的效果进行比较，并对气价进行了敏感性分析。结果表明，热网调节优化对综合能源系统的性能提升在中比例可再生能源渗透率时最优。此外，相比于不考虑热网调节和质调节模式，热网在质–量并调模式下运行时系统经济性分别提高了10.84% 和1.58%。进一步研究表明，气价的变化对热网调节及经济性有较大影响。

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液氮预冷双路循环氢液化系统优化与分析

蔡伟华, 宇世鹏, 梁丽, 邱国栋, 陈杰, 车勋建

工程热物理学报. 2024, 45(11): 3253-3261.

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为降低大型氢液化工程的生产能耗，推动我国氢能产业的发展，本文提出一种液氮预冷双路循环紧凑新型氢液化系统。系统最大液氢产量为300 t/d，采用节流降温、膨胀降温和换热冷却的方式实现氢气深冷液化。通过对氢气物性计算进行优选，借助Aspen HYSYS 软件对工艺流程进行模拟计算和分析。采用Matlab 调用遗传算法对氢液化系统中的关键参数进行全局优化后，比能耗为6.274 kWh/kg LH2，㶲效率为33.79%；考虑到液氮的制取能耗，液化系统的总比能耗为10.59 kWh/kg LH2，㶲效率为19.99%；优化后的氢液化系统具有更好的运行性能。同时，基于优化结果分析设备㶲损和换热器性能，可为大型氢液化装置的研发提供重要参考。

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供工业蒸汽热电联产机组滑参数运行的灵活性与经济性分析

熊涌盛, 刘明, 严俊杰

工程热物理学报. 2024, 45(11): 3262-3268.

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通过供工业蒸汽实现热电联产，是提升燃煤发电机组能量利用效率和经济性的有效手段。然而，当热电联产机组低负荷运行时，进入工业蒸汽管道的抽汽温度过高会限制机组的运行灵活性。为解决这一难题，本文提出了降低再热蒸汽温度的滑参数运行模式，建立了系统变工况性能分析模型，并以330 MW 热电联产机组为例分析了灵活性与能耗特性。研究结果表明，再热蒸汽滑参数运行可增加机组最大调峰容量约14%，且再热蒸汽温度降低到一定程度后可降低机组发电煤耗率，典型供暖工况下，滑参数运行机组年运行收益达78.84 万元。

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液氢温区热耦合斯特林/脉管小型化复合制冷机性能提升及参数优化研究

殷旺, 惠贺军, 伍文婷, 褚晋简, 木松松, 刘少帅, 蒋珍华, 吴亦农

工程热物理学报. 2024, 45(11): 3269-3277.

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脉管制冷机冷端温度低至液氢温区时，往往需要采用两级结构，其中预冷级是影响整机效率的关键之一。本文针对15 K 两级脉管制冷机应用需求，选用单级气动斯特林制冷机为第二级脉管制冷机提供预冷，通过模拟仿真研究了气动斯特林制冷机机械刚度和推移杆直径的影响，提高80 K 单级斯特林制冷机的设计比卡诺效率(计算制冷量/PV 功) 至37.4%。实验验证了单级斯特林制冷机的预冷能力，斯特林/脉管热耦合两级制冷机在15 K 可获得制冷量1.12 W，各级总输入电功为357W，相对于单级脉管制冷机预冷时消耗电功减少30 W，整机比卡诺效率提升至5.96%。对预冷温度开展实验研究，验证了第二级脉管所需最佳预冷温度，冷端在15 K 获得0.6 W 时的预冷温度实验最优值在90 K 附近。

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考虑动态特性的IES 多时间尺度优化运行方法

段宇轩, 吴迪, 韩中合, 马立, 刘奥

工程热物理学报. 2024, 45(11): 3278-3290.

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为降低供能系统供需能量不匹配程度，提出考虑设备动态特性的综合能源系统多时间尺度优化方法。该策略在日前、日内、实时三个时间尺度构建优化调度模型，在日前阶段柔性满足负荷需求，并在日内阶段基于设备动态特性建立“慢响应” 设备爬坡/下降优化模型。结果表明：考虑设备动态特性进行爬坡/下降优化可有效降低设备实时出力波动；考虑设备动态特性的多时间尺度优化策略下，冬、夏季典型日的电网交互功率分别降低9.69% 和15.49%，日运行成本分别降低4.24% 和3.24%，有效削减了源–荷预测误差对系统运行的影响；日前优化考虑负荷裕度可以降低设备出力相对调整率，延长设备使用寿命，同时系统冬、夏季典型日的日运行成本分别降低3.54% 和6.47%，具有较好的经济性。

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轴流透平运行间隙变化研究进展综述

潘现超, 朱阳历, 王星, 熊军, 李文, 陈海生

工程热物理学报. 2024, 45(11): 3291-3308.

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透平是工业领域重要的动力设备之一，具有结构及装配尺寸精度高、工作条件复杂、性能及可靠性要求高等特点。受离心力、热膨胀、压差力、振动等因素影响，透平运行间隙会发生变化，显著影响其性能及运行安全性。本文首先介绍了透平内部的主要间隙结构及其特征，其次重点分析了间隙变化对性能的影响，然后对间隙控制方法进行了总结，最后讨论了运行间隙变化研究中存在的关键问题并对未来发展方向进行展望，以期为后续相关研究提供参考。

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高负荷亚音叶栅分区壁温流动控制方法研究

任晓栋, 王旭, 顾春伟

工程热物理学报. 2024, 45(11): 3309-3316.

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在燃气轮机高负荷轴流压气机中，高负荷亚音级是重要的组成部分，其气动性能对压气机整机性能具有重要的影响。角区分离是高负荷亚音级内固有的一种流动现象，发展角区分离流动抑制方法对提升压气机性能具有重要意义。本文以高负荷亚音叶栅为对象，开展了分区壁温控制对角区分离影响的研究，研究表明，端壁冷却可有效抑制角区分离区域内的回流区角涡，使出口总压损失减小11%，相较于叶片冷却，端壁冷却对吸力面大尺度分离回流影响更为显著。基于流动分离机理，针对性对关键区域进行壁温控制，可有效抑制分离损失，同时降低冷却结构复杂度和额外的能量消耗。

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基于TL-DNN 的风力机高保真尾流代理建模

谭郡瑶, 王强, 罗坤, 樊建人

工程热物理学报. 2024, 45(11): 3317-3322.

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高效准确的风力机尾流建模是风电场运行优化的关键。本研究基于有限的计算流体动力学高保真数据和大量低保真数据，采用迁移学习和深度神经网络方法(TL-DNN) 建立风力机高保真尾流代理模型，并利用大涡模拟结果对模型性能进行评估。结果表明，利用10 组高保真数据和4000 组低保真数据训练获得TL-DNN 模型，其预测的流场平均相对误差为2.77%、近尾流和远尾流流向速度相对误差均小于4%，证明模型对尾流发展预测性能表现良好；模型在线计算时间仅为0.02 s，能实现风力机尾流实时预测，为风电场尾流控制提供技术支撑。

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同轴超临界射流掺混模态调控的大涡模拟

冯岩岩, 原敏鹏, 向勇, 王存海

工程热物理学报. 2024, 45(11): 3323-3330.

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为增强同轴超临界射流的掺混特性，对自然射流和采用模态控制方法的激励射流流场开展了大涡模拟。结果表明：在15% 振幅的曲张和扑动模态激励下，射流的密度、温度和速度势核长度分别缩短了42.9%、42.4% 和23.3%，增强混合的效果较好，而螺旋模态激励的增混效果较差；曲张和扑动模态激励有效减弱了固壁效应和密度分层，径向速度脉动更加剧烈，动量混合增强，同时热容屏障被削弱，传热得到强化；螺旋模态激励对流场高密度梯度的改善微弱，且无法有效地削弱热容屏障，射流动量混合和传热的增强效果较差；本征正交分解的结果显示，速度场的低阶分量占据总能量的较大比例，主导了流动，曲张和扑动激励显著增强了流场下游的一阶分量，而螺旋模态的增强效果微弱。

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离散气膜孔对涡轮端壁气膜冷却特性的影响

张杰, 刘存良, 牛夕莹, 叶林, 张丽

工程热物理学报. 2024, 45(11): 3331-3337.

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本文采用压敏漆(PSP) 技术研究了质量流量比、密度比以及泄漏流对具有离散气膜孔布局端壁的气膜冷却特性的影响。研究结果发现，离散气膜孔质量流量比(R_mf1) 对端壁上游区域的气膜冷效分布有较大的影响，特别是压力侧附近区域。随着密度比(R_d) 的增大，在端壁上游区域的气膜冷效逐渐提升，但是通道涡的强度沿着主流流向逐渐增大，这降低了密度比对端壁下游区域气膜冷却的影响。此外，泄漏流极大地提升了端壁的面平均气膜冷却效率，特别是当R_mf1 为1.75% 时，面平均冷效提高了77.8%。

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基于虚拟补偿力的环形流道式离心泵能量特性高效预测方法研究

王昊, 肖若富, 王福军, 王超越

工程热物理学报. 2024, 45(11): 3338-3347.

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环形流道式离心泵能量特性预测是其水力设计及优化过程中不可或缺的环节，目前最常见的计算模式是采用RANS 模型在同一套网格下开展不同流量工况下的稳态计算。工程实践表明，这种常规计算模式预测到的能量特性往往与实验间存在较大的固有偏差，特别表现为扬程和轴功率存在显著的正偏差，严重影响设计者对水力性能的预判。针对这一问题，本研究首先结合实际案例开展了溯源分析，发现这种常规计算模式存在高估螺旋度诱导的能量逆传效应、低估兰姆矢量诱导的非线性作用的问题，从而导致湍流耗散的预测不足，进而产生了高估叶片载荷、低估水力损失的宏观表现。为此，本研究提出了一种在动量方程中引入与螺旋度相关的虚拟补偿力以提高预测精度的矫正方法，该方法能抑制高雷诺数下旋转湍流中的能量反级串输运、补偿被低估的逆剪切力诱导的流阻耗散，从而达到适当增大流阻的效果。实际应用表明，该方法能有效消除常规计算模式下环形流道式离心泵扬程和轴功率的固有预测偏差，从而为快速而准确地把握产品质量、提高水力设计效率提供技术支撑。

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端壁射流改善轴流泵驼峰的机理

王维, 窦凡, 雷昊雨, 张乐福卢金玲, 冯建军, 罗兴锜

工程热物理学报. 2024, 45(11): 3348-3356.

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为了探索可有效改善轴流泵驼峰特性的方法，针对某轴流泵开展端壁射流的数值模拟研究，分析了射流角度、周向覆盖比和喉部高度对轴流泵性能的影响规律，并结合全通道非定常数值模拟揭示了端壁射流对轴流泵驼峰特性的改善机理。研究结果表明，端壁射流能够有效抑制轴流泵的驼峰现象，在最优的端壁射流参数下，轴流泵驼峰区的扬程提升64.46%，设计工况效率提升2.05%。机理分析表明，端壁射流可有效抑制叶顶泄漏涡的形成和发展，降低叶顶回流等不稳定流动引起的压力脉动，并极大消除驼峰工况的叶顶堵塞，因而在扩宽轴流泵稳定运行范围的同时提高了轴流泵效率。

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超临界二氧化碳压缩机气动性能测试方法研究

朱安安, 王彤, 蔺满相, 黄靓

工程热物理学报. 2024, 45(11): 3357-3361.

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超临界二氧化碳布雷顿发电循环中压缩机的气动性能与其工质独特物性变化规律密不可分，准确的性能测试技术和评估方法尤为关键。本文参照ASME PTC-10 标准首先探讨S-CO₂ 压缩机替代性试验的可能性，通过不同替代方案的分析得出工质和亚临界工况替代测试对S-CO₂ 压缩机性能估算的不适用性；其次分析在近设计点测试时，进口参数变化对工况稳定性及量精度的影响。最后以5 MW 发电系统中压缩机设计案例，提出可行的测试方案建议，以达到降低测试成本和难度的目的。基于该研究可以为S-CO₂ 压缩机开发过程中准确的性能测试提供参考。

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行星式搅拌层流混合强化的模拟与试验研究

陆金刚, 周游游, 孙帅, 孙靖晨, 杨鼎, 刘海龙

工程热物理学报. 2024, 45(11): 3362-3368.

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本文针对行星式层流搅拌流场及其混合性能分别开展了数值计算和可视化试验研究。数值计算结果表明，在行星式搅拌方案中，搅拌桨周期性掠过搅拌槽内大部分区域，打破了常规中心搅拌方案流场的对称性，减少了流场中的环流区，扩大了流动高速区。此外，增加搅拌桨的自转速度可以加大流场中高、低速区之间的速度相对差值。可视化试验结果表明，行星式层流搅拌方案可以促进不同区域流体的物质交换，混合隔离区面积显著减小，搅拌罐内上、下层流体的混合过程存在差异。增加搅拌桨的自转速度，可以进一步改善流体的混合效果，最终，搅拌罐内的流体可以得到充分混合。

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光伏正银粉连续合成过程建模与影响因素分析

朱泽鹏, 廖亚琴, 张易阳, 杨隽, 刘萍, 赵瑞, 李水清

工程热物理学报. 2024, 45(11): 3369-3374.

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银粉作为光伏电池栅线的重要材料，对太阳能效率有直接影响。本文发展反应流动数值模拟与离散区间法颗粒群平衡模型高效结合的方法，研究了抗坏血酸还原剂化学还原法连续合成微米正银粉体过程，探究了流动、混合、化学反应和颗粒形核、生长等过程的相互影响规律。研究发现反应器混合效果好，反应pH 值通过抗坏血酸电离控制反应速率，从而影响前驱体消耗在成核与生长过程中的配比，进而影响最终出口颗粒总数与平均粒径。

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长管道中脉冲压力波传播特性实验研究

曹业奇, 徐强, 黄博, 于海洋, 郭烈锦

工程热物理学报. 2024, 45(11): 3375-3382.

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在海洋油气输运管道中，存在诸多瞬态行为会引起局部的压力波。大幅度压力波的传播会引起井口压力的大幅波动，严重威胁下游处理设施的平稳运行。本文在管径为46 mm、长1657 m 的水平管道，使用高频压力信号获取了脉冲压力波在段塞流中的传播特性数据。研究发现脉冲压力波的传播遵循幂律衰减，沿管道长度呈现出非线性、色散性特征。气相的可压缩性严重阻碍了脉冲压力波的传播，随着表观气速的增大，压力波传播速度减小，衰减程度进一步增大。水平管段塞流中脉冲压力波的整体平均传播速度和衰减系数的范围分别为45∼351 m/s 和0.921∼2.137×10⁻³ dB/m。基于长管道脉冲压力波数据，建立了段塞流中脉冲压力波传播速度及衰减系数的预测关联式。

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三维煤炭超临界水制氢反应器多相流场深度时空智能建模及预测方法

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(11): 3383-3390.

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作为一种大型洁净能源装备，煤炭超临界水制氢反应器内部是耦合传热传质和化学反应的多相环境。制氢反应器的实验和数值模拟研究产生了大量的多维、瞬时流场数据。本文首先通过空间插值处理所获得的非结构化多相流场仿真数据，并利用深度学习技术构建了数据驱动的三维多相流场时空预测模型3DReactorNet，对三维制氢反应器内复杂的多相流场进行学习，从而实现对未知工况下反应器内三维多相流场时空演变的快速准确预测。进一步地，本文通过MC Dropout 策略度量了3DReactorNet模型预测结果的置信度。测试结果表明，3DReactorNet 模型的预测结果与CFD 计算结果高度一致，但预测速度远优于CFD仿真，有利于高效的反应器设计和优化。

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基于POD 和TFM 的气固流化床流场压力分布预测研究

舒航, 钟文琪, 陈曦, 杜康

工程热物理学报. 2024, 45(11): 3391-3397.

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气固流化床内压力分布的快速预测是其运行监测和优化的关键，本文针对气固流化床中压力分布的快速预测方法进行了深入研究。首先利用双流体模型(TFM) 对流化床进行数值模拟计算，得到床内流场压力分布的变工况数据集。基于所得到的模拟数据集，采用本征正交分解(POD) 分析并提取特征向量和对应系数。采用支持向量机回归(SVR) 拟合投影系数，从而实现基于特征向量的气固流化床时均压力分布预测。结果表明单个工况预测所需时间为0.04 CPU 小时，远小于模拟所需的332CPU 小时；平均床层压降的预测结果与模拟结果高度一致，且压力平均百分比误差在0.01％内，POD 能够高精度快速预测流化床压力分布。本文验证了POD 在气固多相流领域应用的准确性和有效性，为流化床的工程应用和优化提供了新的研究方法和工具。

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基于EMD-LSTM 的集输立管内稳态及瞬态工况预测

付吉强, 邹遂丰, 孙杰, 徐强, 赵向远, 郭烈锦

工程热物理学报. 2024, 45(11): 3398-3405.

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针对离岸油气管道流动参数时间序列及流型转变的预测，建立基于经验模态分解(EMD) 和长短期记忆神经网络(LSTM)组合模型，运用贝叶斯理论对LSTM 神经网络相关参数进行优化。相比于单独使用BP 神经网络、随机森林算法和LSTM 神经网络，本文提出的EMD-LSTM 组合预测模型可以更好地追踪立管压差和幅值的演变趋势，大幅度提高预测精度，对流动原始信号及其统计量时间序列均适用。

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质量引射对高速飞行器气动热的影响规律研究

尤其, 曾磊, 杨肖峰, 蒋崇文, 桂业伟

工程热物理学报. 2024, 45(11): 3406-3414.

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质量引射现象广泛存在于高速飞行器主、被动热防护系统中，厘清该效应对气动热环境的影响机理，在飞行器高效热防护系统设计方面有重要意义。针对这一问题，发展了质量引射条件下的气动热环境数值计算方法，开展了高速来流下引射气体质量流率的大小和空间分布对气动热环境影响规律的数值模拟研究。结果表明，质量引射将改变近壁面的速度场、温度场及二者间的协同关系，导致传热减弱；引射气体质量流率越大，降热效果越明显；总质量流量相同时，引射气体质量流率空间分布将影响壁面冷却效果。

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基于聚光分频的全光谱太阳能驱动液态碳氢燃料定向制备系统研究

袁熹, 张凯, 宣益民

工程热物理学报. 2024, 45(11): 3415-3426.

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本文提出了一种基于聚光分频的太阳能定向制液态碳氢燃料系统，并对其进行了理论建模和热力学分析。该系统中，聚光太阳能被分频，一方面短波太阳光子被用于光伏发电，所产电能直接驱动质子交换膜电解槽电解制氢，为二氧化碳加氢制甲醇提供氢源，另一方面，长波太阳光子加热换热工质实现储热，为二氧化碳加氢反应提供热能并确保反应期间温度稳定，余热供海水淡化/自来水蒸馏、直接空气二氧化碳捕集等方式获取系统反应原料，从而实现全光谱高效梯级利用的太阳能驱动液态碳氢燃料定向制备。研究结果表明：标准AM1.5G 阳辐照条件下，砷化镓光伏板的温度为105°C 时系统可获得最大㶲效率，为23.40%，对应产氢量为2.84 L·min⁻¹，再循环二氧化碳加氢反应器压力5 MPa，反应温度220°C，碳氢比1 : 3 条件下，氢气转化率68.19%，甲醇产物选择性97.90%，对应甲醇产量为0.91 g·min⁻¹，太阳能制甲醇的燃料效率为6.08%。本研究为助力碳减排，促进碳中和提供了重要的技术方案。

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基于机器学习的管内流动冷凝压降预测

聂峰, 赵聪, 严诗琪, 王昊成, 公茂琼

工程热物理学报. 2024, 45(11): 3427-3434.

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本文收集了含有广泛流动压降实验数据的综合数据库用于驱动机器学习算法预测压降。该数据库共包含1016 个来自公开文献的实验数据，数据涵盖了17 种工质及宽广的测试工况。XGBoost 和ANN 两种机器学习模型被用于拟合和预测压降数据，它们对测试集数据的平均绝对相对误差(MARD) 分别为11.51% 和9.16%。此外，利用获得的高准模型分析了各参数对压降的影响权重，揭示了影响流动冷凝压降预测的关键参数。

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超薄硅基VC的实验研究

周东方, 陈岩, 李加乾, 辛公明

工程热物理学报. 2024, 45(11): 3435-3439.

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电子器件小型化和集成化导致芯片热流密度升高，并使在受限空间内的散热变得具有挑战性。硅基蒸汽腔(Vapor chamber,VC) 提供了一种简单、可靠且易于集成的散热方案。本文设计并制作了一款尺寸为7 mm×7 mm×0.6 mm 的超薄硅基VC, 搭建了实验系统，探究了三种工质(2100A、无水乙醇、去离子水) 对硅基VC 传热性能的影响。实验结果表明，以无水乙醇为工质的硅基VC 热阻最低，相较于未充液的VC 热阻降低了61.4%，以去离子水为工质的硅基VC 在高热负荷下表现出最优的均温性能。

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纯水流动闪蒸特性数值模拟研究

李炳锐, 王维, 王鑫, 李炳熙, 帅永

工程热物理学报. 2024, 45(11): 3440-3445.

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闪蒸是一种高效快速的相变方式，具有巨大的工程应用价值。本文针对伴随着流动的闪蒸产汽过程，建立了压力驱动的变饱和温度的Lee 相变模型，并结合VOF 模型对入口过热度3∼6 K，初始液位高度0.3∼0.8 m 的纯水闪蒸进行了数值模拟与机理分析。结果表明，入口区域的剧烈相变产汽优化了闪蒸室内的气液与温度分布，是促使闪蒸室产汽速率和工质转化效率增加的重要因素，研究范围内，入口过热度的提升与初始液位高度的降低可以使出口工质的不平衡系数分别降低约55%、35%，入口过热度与初始液位高度的提升可以使蒸汽发生速率提升约292%、191%。

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上升管内超临界CO₂/丙烷混合物传热特性研究

尹丹丹, 周云龙, 郭新田, 王迪

工程热物理学报. 2024, 45(11): 3446-3456.

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采用变普朗特数模型对超临界CO₂/丙烷混合物在垂直上升管内的传热特性进行数值分析。混合物中丙烷的质量分数为0∼15% (ω=0∼15%)。ω 从0% 增加到10% 时，平均换热系数升高，壁温峰值逐渐减小且沿流动方向向后移动，局部传热恶化得到改善。ω=15% 时，壁温单调增加传热恶化消失。丙烷对壁温的影响随着进口温度和热流密度的减小而逐渐增大。T_in=285∼290K 范围内，CO₂ 和CO₂/丙烷混合物(ω=5%) 的壁温峰值分别变化20 K 和2 K，而传热系数谷值的最大变化为6.1% 和1%。此外在G=500 kg·m⁻²·s⁻¹、Tin=285∼295 K、q=50∼70 kW·m⁻² 宽工况范围内，提出用于CO₂/丙烷混合物(ω=0∼15%)的传热预测关联式，关联式的误差在±20% 内。

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聚偏氟乙烯聚合物热导率的分子动力学研究

高彦文, 巩亮, 朱传勇

工程热物理学报. 2024, 45(11): 3457-3464.

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聚偏氟乙烯(Poly (vinylidene fluoride), PVDF) 材料在热界面材料以及海水淡化蒸馏膜等领域有着广泛的应用，对其热导率开展研究具有重要意义。本文采用平衡态分子动力学方法研究了不同聚合度和不同温度下PVDF 材料的热导率，证明了随着温度的增加和材料聚合度的增加，PVDF 的整体热导率均呈现增加趋势。此外，对其整体热导率的分解研究表明，在一定温度下λ_C 和λ_B 分别仅与分子的回转半径的倒数及宏观密度有关，且呈现线性关系；当PVDF 分子的回转半径较大时，λ_NB与回转半径呈近似线性关系。基于大量的数值模拟结果，本文分别提出了λ_C，λ_B，λ_NB 以及材料整体热导率的关联式。上述研究对于PVDF 材料的设计及应用具有重要的指导价值。

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各向异性多孔材料流动换热特性数值研究

孔祥壮, 张超, 杜雁霞, 王娴, 肖光明

工程热物理学报. 2024, 45(11): 3465-3473.

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由于多孔材料具有优异的强化换热能力，在新型热防护系统中被广泛应用。本文以断层扫描获得的多孔材料切片为研究对象，采用分水岭算法对材料各向异性进行表征，结合双分布格子-Boltzmann 方法对其流动换热特性进行研究。结果表明：流动沿骨架未拉伸方向时，流动路径更曲折，涡系结构更复杂，导致渗透率更小，换热能力更强，且不同方向渗透率之比与结构各向异性因子在数值上基本相同，说明多孔材料不同方向流通能力受结构各向异性影响。在过渡区，多孔材料不同方向换热能力的差异随雷诺数增大逐渐增大；在达西区和强惯性区，不同方向换热能力的差异不随雷诺数变化。

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求解流动传热问题的简化离散速度热格子Boltzmann通量求解器研究

刘翔, 童自翔, 何雅玲, 俞逸斯, 汪思成

工程热物理学报. 2024, 45(11): 3474-3479.

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热格子Boltzmann 通量求解器(Lattice Boltzmann Flux Solver, LBFS) 是求解流动传热问题的重要方法。传统热LBFS 基于标准离散速度模型，在计算效率方面存在不足。针对该问题，本文发展了求解流动传热问题的简化离散速度热LBFS。基于包含较少离散速度的二维五速(D2Q5) 模型，发展了求解热力学能方程的LB 方法。采用有限容积法(Finite VolumeMethod, FVM) 离散宏观控制方程，并在多尺度分析的基础上，通过所发展的LB 方法计算界面宏观守恒量通量，采用显式时间推进方法更新单元守恒变量，实现了不可压缩流动传热问题的求解。最后，采用方腔内部自然对流和同心圆环内部自然对流等两个经典算例验证了所发展热LBFS 的计算能力与精度。

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矩形流道内密度极值流体Poiseuille-Rayleigh-Bénard 对流传热研究

朱玉枝, 李友荣

工程热物理学报. 2024, 45(11): 3480-3486.

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为了了解密度极值流体Poiseuille-Rayleigh-Bénard(P-R-B) 对流流动和传热性能，采用有限容积法对具有不同宽高比水平矩形流道内冷水的P-R-B 对流进行了三维数值模拟。结果表明，随着密度倒置参数的增加，Rayleigh-Bénard 对流强度减弱，说明密度倒置参数对二次流动具有抑制作用。充分发展区平均Nusselt 数随Rayleigh 数和截面宽高比的增大而增加，随密度倒置参数的增大而减小。基于计算结果，拟合得到了密度极值流体P-R-B 对流充分发展区传热关联式。

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微通道热沉内R134a 流动沸腾实验研究

张志强, 贾力, 党超, 银了飞, 丁艺

工程热物理学报. 2024, 45(11): 3487-3493.

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实验研究了低沸点工质R134a 在铝基微通道热沉内的流动沸腾特性，分析了饱和温度、质量流速以及热流密度对流动沸腾换热系数、压降、通道沿程壁温分布及流动不稳定性的影响。结果表明：在中高热流密度下换热系数随质量流速的增加快速提升，换热系数最高达到53694 W·m⁻² K⁻¹。饱和温度越高，微通道热沉进出口压降越小，压降振荡幅值也越小。随着质量流速的增加，通道沿程壁面温度呈现较好的均匀性且压降振荡不稳定性得到抑制。

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亚临界过冷水在大宽高比矩形窄缝通道内的沸腾传热特性

王腾, 毕勤成, 霍福强, 刘璐, 董新宇

工程热物理学报. 2024, 45(11): 3494-3502.

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开展了亚临界压力下大宽高比矩形窄缝通道内的过冷沸腾换热试验研究，通道截面尺寸为60 mm×2 mm，试验参数覆盖了板状燃料堆芯的实际运行工况，其中压力为10∼16 MPa。采用电加热的方式模拟了板状燃料组件的发热，结果表明，通道的大宽高比致使加热平板在横向方向上表现出传热不均匀性，并由此产生较大的横向壁面温差，与周向均匀传热的通道相比，其部分沸腾区间的范围更大。由于横向传热的不均匀性，在单相对流传热和部分过冷沸腾区，观察到较为明显的横向浮升力效应；此外，质量流速的降低、热流密度的增大以及系统压力的升高均会加剧横向传热的不均匀性。

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单光谱高能流辐射下热光伏电池转换性能分析

柳秀丽, 李潇磊, 宋则豪, 陈学, 孙创, 夏新林

工程热物理学报. 2024, 45(11): 3503-3507.

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依据热光伏电池结构组成和工作原理，建立相对应的单片热光伏电池表面电流流动的二维有限元模型。为了验证模型的可靠性，搭建单光谱高能流辐射测试平台，进行实际辐射条件下热电转换性能的测试和验证。结果表明：在入射光斑大小保持不变时，随着入射辐射能量增加，热光伏电池的输出功率增加，且入射辐射能量对短路电流的影响与入射辐射能量呈线性增加，约为1.25 倍，但对开路电压的影响很微小，约为1.02 倍；在入射能量一定，光斑大小发生改变时，短路电流也会随着光斑的增大而增大，但开路电压保持不变，电池的输出功率增加。应尽可能增大电池的工作区域，以提升电池的性能。

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3D 封装中硅通孔的电–热–结构耦合分析

张远乐, 龚瑜璠, 陈召川, 赵起, 孟欣, 李强, 陈雪梅

工程热物理学报. 2024, 45(11): 3508-3516.

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本文利用有限元分析软件对3D 集成芯片中不同形状的硅通孔(TSV) 结构进行电–热–结构耦合分析。研究结果表明：圆环形TSV 的应力水平远小于圆柱形和圆锥形TSV。在相同激励电压下，减小TSV 直径、增大TSV 高度、减小SiO₂厚度均可提高TSV 的可靠性。对圆环形TSV 进行正交实验发现，TSV 的直径和中间介质对最高温度、最大应力影响程度较大。在单层TSV 阵列中，当中心间距较小时，圆环形TSV 出现应力叠加现象，应力叠加水平受中心间距与排列方式的影响。

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操作与结构参数对锌溴液流电池性能的影响

王天虎, 刘如祎, 王光绪, 张业奇

工程热物理学报. 2024, 45(11): 3517-3523.

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由于能量密度高、成本低和循环寿命长等优点，锌溴液流电池成为大规模储能技术的候选者之一。但目前关于锌溴液流电池的建模工作比较缺乏，操作及结构参数对电池性能的影响规律和相关储能机理揭示还不够充分。基于此，本文建立了锌溴液流电池的二维瞬态模型，对电流密度、压缩电极厚度及电极活性面积对电池性能的影响进行了研究。结果表明，电池过电势随电流密度增加而增大；压缩电极厚度会减小电池的欧姆损失，但会增大浓度极化；随着电极活性面积增加，会增大电池的欧姆损失和浓度极化，造成电池的能量效率降低。该工作有益于理解锌溴液流电池的储能特性，也可为高性能电池设计提供理论指导。

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超疏水表面上液滴的再结冰现象实验研究

李仁海, 石万元, 冯林

工程热物理学报. 2024, 45(11): 3524-3530.

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研究了超疏水表面上再结冰现象，分析了基板温度对润湿性的影响以及再结冰对表面防冰性能的影响。观察到从不同高度融化位置的再结冰形态有差异，融化线处于较高位置可以形成尖端，融化线处于中间及以下位置时，在融化线处形成清晰的边界，并在边界边缘产生不规则的小冰晶。融化线位置越低，边界就越明显。再结冰时超疏水表面的防结冰性能变得极弱，冻结延迟时间比单次冻结时小一个数量级，成核温度范围为−2 ∼ −6°C。

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硅基微型腔槽内局部超高热流下气泡生长特性研究

叶波, 屈健, 关凤渤, 王志远, 李昌烽

工程热物理学报. 2024, 45(11): 3531-3537.

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研究了电子冷却液HFE-7100 在底部带微柱阵列结构的硅基腔槽微通道内局部稳定超高热流下的沸腾气泡核化和超快速生长现象。利用高速相机和红外热像仪对气泡成核临界热流条件和生长过程进行了观测分析，并确定了质量流率和微柱疏密差异等对气泡成核生长的影响规律。研究发现，局部加热条件下气泡成核所需热流密度高达1965∼3886 W/cm²，整个气泡生长过程发生在200 μs 以内。超高热流下气泡生长主要经历高速线性膨胀和平缓收缩坍塌两个阶段，气泡前期生长速率可达约20 m/s。与光滑表面相比，微柱阵列结构表面能够有效降低气泡成核的壁面过热度和热流密度。

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CO₂ 电催化还原的MS2 型金属硫化物催化剂理性设计与高通量筛选

肖一杨, 杨应举, 刘晶

工程热物理学报. 2024, 45(11): 3538-3543.

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CO₂ 电催化还原是一项极具应用前景的CO₂ 利用技术，关键在于高性能催化剂的开发。本文采用密度泛函理论与机器学习相结合的方法，研究了过渡金属二硫化物及其掺杂改性衍生物(MS₂) 的CO₂ 电催化还原性能，提出了基于MS₂ 型过渡金属硫化物的CO₂ 电催化还原催化剂的设计方法，高通量筛选获得高性能的催化剂。结果表明，机器学习对CO 和H 吸附能预测的平均绝对误差分别为0.154 eV 和0.098 eV；金属掺杂可以通过调控吸附能提升催化剂的活性；在立方晶型MS₂ 催化剂表面，Fe、Co、Ni 是有效的活性位点，可以设计与开发活性位点占比高的Fe_xCo_yNi_1−x−yS₂ 催化剂。本文对过渡金属二硫化物催化剂在CO₂ 电催化还原领域中的设计与开发提供一定指导意义。

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基于纳米反应器方法探究H₂ 和JP-10 的燃烧反应机理

邓冰心, 常晓雅, 初庆钊, 陈东平

工程热物理学报. 2024, 45(11): 3544-3551.

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纳米反应器方法通过模拟活塞周期性地压缩运动加速化学反应，在不预设反应坐标和基本步骤的情况下，高效发现新的反应中间体和反应机制。本工作中，分别使用纳米反应器方法和分子动力学方法模拟了氢气和JP-10 的燃烧反应过程，发现纳米反应器方法可以高效揭示反应物的燃烧反应路径。同时，纳米反应器在JP-10 的模拟过程中发现了一些新的基元反应。

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层流火焰下氨/乙醇裂解气燃烧与NO_x 生成分析

苗梦澜, 孟相宇, 秦美超, 刘丽子, 毕明树, 隆武强

工程热物理学报. 2024, 45(11): 3552-3558.

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为改善氨燃料的燃烧性能，本文研究了氨燃料裂解以及掺混乙醇对层流火焰下燃烧和排放特性的影响。建立了包含159种组分、1450 步反应的氨/氢/乙醇混合燃料燃烧化学动力学机理，并通过已有实验数据进行验证，预测准确性较高。结果表明，随着乙醇掺混比的增大，NO_x 的生成量先增大后减小；当乙醇比例为40% 时，氨裂解使得混合燃料的层流燃烧速度增加，当裂解比例超过60% 时，稀燃条件下NO 生成量显著降低，混合燃料的燃烧和排放同时得到改善。

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低活性燃料旋转爆震燃烧机理研究进展

刘世杰, 彭皓阳, 黄思远, 樊伟杰, 刘卫东

工程热物理学报. 2024, 45(11): 3559-3570.

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连续旋转爆震发动机是爆震推进的一种实现形式，具有结构简单、燃烧效率高、推力稳定、应用形式多样等特点，近年来备受关注。低活性燃料由于化学反应活性差、胞格尺寸大，实现其高效旋转爆震燃烧的难度大。若要实现旋转爆震发动机工程应用，必须突破该核心关键技术。本文简要综述了低活性燃料旋转爆震的最新进展，分别从改善推进剂活性、燃烧室构型优化、冲压旋转爆震三个方面，探讨低活性燃料旋转爆震的燃烧组织机理，可为后续旋转爆震发动机研制提供借鉴与参考。

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重要氨反应不确定性分析

李文宇

工程热物理学报. 2024, 45(11): 3571-3577.

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日益加剧的环境问题引起了学界对可再生无碳清洁氨燃料的广泛关注。氨燃烧伴随着复杂的反应路径，这些反应路径互相连接，共同影响着氨的燃烧动力学过程。此外，氨燃烧反应机理中包含大量小分子反应，这些反应的反应速率常数无法用实验方法测量得到，导致氨反应机理模型中的速率常数仍然存在较大的不确定性。因此，采用近似贝叶斯不确定性分析方法，结合氨燃料点火延迟时间、层流火焰速度和组分浓度实验数据开展了计算。为了提高计算效率，针对燃烧动力学研究特点引入了序列蒙特卡洛算法。基于计算结果对氨反应机理中的重要反应速率常数不确定性进行了分析，并与现有实验测量数据进行对比，提高了氨反应机理模型可靠性。

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氢与碳氢燃料气膜边界层燃烧的大涡模拟研究

韦健飞, 章思龙, 左婧滢, 李欣, 秦江, 鲍文

工程热物理学报. 2024, 45(11): 3578-3585.

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本文对应用于超燃发动机内流道中的氢与碳氢燃料气膜冷却的边界层燃烧现象进行大涡模拟。研究表明碳氢燃料气膜的边界层燃烧主要由较厚的扩散火焰构成，化学反应释热区位于混合层外侧远离壁面的位置，且在释热区和壁面之间存在着吸热裂解反应区，强度与释热反应强度相当。由于边界层底部较慢的吸热裂解反应存在，一部分氧气可以与碳氢燃料气膜进行具有预混性质的裂解反应，使得碳氢燃料气膜在裂解反应路径中表现出很强的非平衡特征。而氢燃料气膜的边界层燃烧反应速率极快，反应近乎处于“混即燃” 的平衡状态，火焰锋面由薄的扩散火焰构成，火焰锋面位置更为靠近壁面，且平行于壁面发展。

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