工程热物理学报

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张威, 吴春梅, 涂为, 李友荣

工程热物理学报. 2024, 45(12): 3587-3593.

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为了探讨不同孔径材料的吸附特性与微孔填充过程，采用实验测试与理论分析相结合的方法研究了二氧化硅–氮气吸附过程中的孔隙吸附特性。通过对无孔材料吸附等温线进行热力学分析得到材料真实的Zeta 吸附等温参数，发现在低压比区域吸附熵先急剧增大，再减小至一极点后增大，摩尔潜热在此范围内为负值，吸附质为不稳定状态，确定了微孔填充过程的压比范围。利用对应体系的Zeta 等温参数明确了介孔二氧化硅材料孔隙填充过程开始时的压比和对应的团簇大小，发现团簇分子与孔径关系比例系数随着孔径的增大而减小，提出了考虑孔隙壁面弯曲效应的孔隙填充过程物理模型。

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基于主动气液调配的混合工质换热匹配重构

李俊杰, 陈健勇, 陈颖, 罗向龙, 何嘉诚, 梁颖宗, 杨智

工程热物理学报. 2024, 45(12): 3594-3602.

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非共沸混合工质在相变过程中具有温度滑移特性，与冷热源变温过程形成换热匹配，但其温焓非线性使得完美匹配无法实现，造成了换热不可逆损失。基于非共沸混合工质温焓特性和主动气液调配原理，本文对非共沸混合工质的换热匹配进行重构。依据耗散得出换热过程不可逆损失与质量流量和等效比热容的关系，分液导致工质换热曲线斜率增加，配液引起工质温度降低。构建了主动气液调配换热模型，并开展了单目标和多目标优化，发现主动气液调配可减少R170/R290 工质8.7% 的总耗散率和9.7% 的换热面积，实现了换热不可逆损失减少的同时传热性能提升。

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月球碟式斯特林光热发电系统性能分析

李雪岭, 李冰淇, 刘洋, 宋志伟, 李毅超

工程热物理学报. 2024, 45(12): 3603-3610.

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针对月球基地昼夜持续的能源供应，提出了一种基于月壤储热的碟式斯特林光热发电系统。采用有限时间热力学方法建立了该系统的昼夜持续供能理论模型，并通过MATLAB Simulink 对该系统的供能特性进行了案例研究和关键参数分析。结果表明该系统在月球日间和夜间的输出功率和效率都会逐渐降低，月球日间和夜间的平均输出功率分别为10.7 kW 和7.1 kW。由于对月球资源的充分利用，系统总的能源效率可达到40.39%，可用于月球基地昼夜持续的能源供应。提高碟式集热器集热温度和增加储热子系统储热质量有助于月球日间的能源供应，提高储热子系统初始储热温度有助于月球夜间的能源供应。该文的研究结果为解决月球基地能源供应问题提出了一种新途径。

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新型高温耦合热泵循环性能研究

孙健, 马世财, 霍成, 戈志华, 杨勇平

工程热物理学报. 2024, 45(12): 3611-3617.

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高效余热回收利用是实现节能减排的关键途径，近些年能源利用效率优异的热泵技术广泛应用于工业余热回收领域。受限于热泵自身的循环结构、压缩机于工作介质性能，压缩式与吸收式热泵工作温度区间较窄，在工业余热回收场景下难以满足较高制热温度下“大温升” 的换热要求。该研究首先对提出的新型高温耦合热泵循环原理进行分析；其次建立了耦合热泵热力学稳态数学模型；针对某化工余热项目设计工况下计算得到在余热进口温度为90°C 情况下，耦合热泵可制取115°C 的热水，且COP 为2.33，分析了耦合热泵循环中压缩式循环冷凝温度、中温余热出口温度及冷却水出口温度对耦合热泵性能的影响，该热泵相比常规热泵技术在较高制热温度工况下可实现“大温差” 高效换热，且技术经济性良好，进而具有较好市场应用潜力。

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二氧化碳热泵热水器压缩机频率及电子膨胀阀的控制优化研究

郭亚宾, 汪玉华, 张政, 刘娅锌

工程热物理学报. 2024, 45(12): 3618-3625.

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跨临界二氧化碳热泵应用于热水器具有高制热能效、能制取高温热水的优点，其中排气压力是决定热泵系统是否能高效运行的重要参数之一。为了使系统在运行状态下实现最优排气压力，快速达到目标温度，针对初始控制策略进行了多方面的优化改进。结果说明了将排气温度值提高到105°C 可以将平均排气压力提高0.2 MPa；减弱电子膨胀阀基于排气温度的控制力度可以使排气压力下限提高0.45 MPa，提高压缩机频率可以增加制热量，有效减短加热时间。

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基于热力学界面作用的表面活性剂驱油特性分析

董芋双, 王志国, 李徐佳, 赵越超, 赵子琦, 宋永臣

工程热物理学报. 2024, 45(12): 3626-3633.

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表面活性剂驱油是重要的化学驱油方法，热力学理论是从本质上揭示化学驱油过程微观机理的有效手段。本文基于热力学方法，针对表面活性剂油–水相界面变化的吸附特性及胶束化过程的聚集特性，提出了表面活性剂驱油的界面分析模型和胶束化热力学模型，构建了热力学能量分析方程。选取典型的非离子型C₁₁H₂₃(OC₂H₄)_yOH 表面活性剂，采用表面张力法确定其界面张力变化情况及临界胶束浓度。结果表明：胶束化过程是一个自发的吸热过程，温度升高有利于胶束化的进行，熵是胶束化的主要推动力，且存在线性的焓熵补偿关系。对于C₁₁H₂₃(OC₂H₄)_yOH 表面活性剂，较短的氧乙烯单元基团和温度的升高有利于胶束化进行，稳定性更好，并使表面活性剂在油–水界面上降低界面张力的能力和界面活性提高。

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太阳能高温共电解制合成气高效还原炼铁系统研究

林子涵, 纪辰, 夏起, 马可韦, 陈晨

工程热物理学报. 2024, 45(12): 3634-3640.

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本文提出了太阳能全光谱利用耦合SOEC 共电解制合成气还原炼铁系统。在该系统中，采用复合抛物面碟实现全光谱利用，通过光伏光热耦合腔体SOEC 实现热电互补，以实现高效还原炼铁。构建了SOEC 电化学模型，并通过比较分析模型预测的极化电压与实验数据来验证所提出的模型。此外，耦合SOEC 模型与其他子系统热力学模型并构建了完整系统模型。基于所提出的系统模型，利用参数化分析研究了关键工况参数对系统性能的影响规律。在输入太阳能1100 W/m²、SOEC 温度775°C、电流密度1000 A/m² 条件下降低炼铁能耗至24.54 kJ/g，为进一步优化太阳能制合成气还原炼铁系统设计提供参考

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压水堆燃料棒束域精细流态模拟与构型

陈晓晴, 钱浩, 陈广亮, 陶文铨

工程热物理学报. 2024, 45(12): 3641-3652.

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为深入了解涡流在堆芯棒束通道间的流动演变特性，通过搅混翼等特征结构的改进以优化反应堆的传热及流动性能。研究实现了参数化、自动化构建撕裂式搅混翼结构及精细化CFD(Computational Fluid Dynamics) 计算，得到结构与流场的量化关系，进而分别对小流域和特征流域展开涡流组合分析。通过编程对基础域流场完成自动化修改，得到多种新型精细流场，并对新型流场进行量化积分与分布特性分析，完成优势流场筛选。经热点温度等量化分析，明确旋涡横流速度大小并不代表整个流场的均匀程度，而旋涡的位置及形态与流场搅混效果的相关性更大。旋涡长轴与x 轴夹角小的旋涡为主导旋涡，主导旋涡的改变使流向转变，通道间流动方向的转变易在通道间形成中间旋涡。此外优势旋涡组合不仅具有良好的搅混效果，同时具有较低的压降，即兼具优良的传热与流动特性。

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不确定性条件下冷热电联供系统两阶段随机鲁棒优化

李尧, 刘杰杰, 马雅楠, 秦若木, 孟现阳, 吴江涛

工程热物理学报. 2024, 45(12): 3653-3663.

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本文研究了冷热电联供系统的最优配置及运行问题，考虑不确定性因素的影响，建立一种两阶段随机鲁棒优化模型。在规划阶段，根据运行策略和各类场景，调整容量设计；在运行阶段，根据实际情况，确定设备出力。本文采用场景生成法、列和约束算法和KKT 条件，对优化模型进行求解。以陕西西安地区某一工业园区为例，进行了实证分析。结果表明，不确定性因素对系统的投资成本、装机容量和运行策略均有明显影响，系统设计时需要权衡经济性与稳定性。本文为冷热电联供系统的规划与运行提供了一种有效的方法和参考。

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基于跨声速两相膨胀器的新型氦低温级制冷循环研究

陈宝生, 曾钰培, 邹爱红, 罗二仓

工程热物理学报. 2024, 45(12): 3664-3670.

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在“双碳” 目标的背景下，由于跨声速两相膨胀器(TTPE) 具有膨胀制冷效果好、无运动部件等优势，本文将其引入新型氦低温级制冷循环中，对其开展了热力分析与模拟计算。结果表明：TTPE 的最优入口压力是1600 kPa，此时COP 和相对卡诺效率分别为0.368 和43.1%。随着TTPE 入口温度的降低，COP 和相对卡诺效率最大分别可达0.468 和43.6%。当两相分离段的出口压力升高时，COP 和相对卡诺效率分别可以增加至0.413 和59.0%。随着Laval 喷管等熵效率的提升，COP 和相对卡诺效率的最大值分别为0.435 和50.8%。热力分析以及模拟结果表明：新型氦低温级制冷循环具有良好的发展前景，为氦气高效制冷领域的研究提供了一种参考。

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乙腈对超级电容器内含水离子液体/石墨烯固液界面微观结构的影响

宋粉红, 马佳明, 王富康, 范晶

工程热物理学报. 2024, 45(12): 3671-3679.

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离子液体电解质在石墨烯表面的润湿特性对石墨烯离子液体超级电容器的储能性能至关重要。由于离子液体具有吸湿性在制备及应用过程中极易吸收水分，水的存在影响固液界面的离子分布及离子液体在石墨烯表面的润湿特性。有机溶剂乙腈有望减小离子液体的黏度且减少水的存在对电容性能的影响。本文通过分子动力学模拟研究了乙腈对含水离子液体在石墨烯电极壁面上的润湿性能的影响机理。结果表明，随着乙腈含量增加，即n_H2O : n_ACN 从1 : 1 变化到1 : 8 时，亲水性和疏水性含水离子液体液滴在石墨烯表面的润湿性均显著增强，对应的接触角分别减少了42.46°、24.30°，亲水性离子液体体系润湿性增强效果更为显著。通过分析各离子、分子一维二维密度和离子/分子间径向分布函数，发现乙腈分子分布在近壁面层，且乙腈的加入改变了阴阳离子、水分子在固液界面的分布和相互作用，形成部分脱溶结构，有利于提高储能性能。此外，乙腈的存在使离子的扩散速率增加，阴阳离子、水、乙腈、固壁相互作用改变了含水离子液体液滴在石墨烯表面的润湿性。研究结果从微观角度深入探究了离子液体/石墨烯固液界面的微观结构，为开发和设计高性能石墨烯离子液体超级电容器提供了重要参考。

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基于神经网络的叶栅气动性能影响研究

马峰, 杜亦璨, 王掩刚, 陈为雄, 刘汉儒, 尚珣

工程热物理学报. 2024, 45(12): 3680-3690.

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叶栅气动性能受叶型误差变化的影响较大，为了研究微小几何误差变化对压气机叶栅气动性能影响，本文提出了一种基于深度神经网络的可变叶栅上不可压缩层流定常流场预测方法。该方法可以将流场近似为叶栅变形误差和攻角以及来流马赫数的函数，不需要求解传统方法所使用的Navier-Stokes(N-S) 方程。采用拉丁超立方结合蒙特卡洛方法生成大量几何误差参数结合流场参数作为输入，训练深度神经网络模型并进行预测，短时间内就可以完成大量样本，并利用预测结果得到叶栅误差和总压损失系数之间的敏感性关系。

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基于强化学习的端壁气膜冷却孔排布优化

李晓鹏, 陆成, 汪奇, 杨力

工程热物理学报. 2024, 45(12): 3691-3697.

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孔排布是影响端壁气膜冷却效果的一个重要几何因素，本文提出了一种基于强化学习的气膜孔排布优化方法。通过将孔排布的设计看作是一系列开关孔的决策，将其转化为马尔科夫决策过程并利用强化学习方法进行求解。本文将涡轮叶栅抽象简化为弯折收缩通道，以模拟端壁的横向和流向压力梯度环境，并在此压力梯度环境下开展气膜冷却孔排布优化。研究结果为气膜冷却、冲击冷却、柱肋冷却等多种冷却形式的布局优化提供了新的范式。

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轴流血泵不同转速下内流及能量特性研究

喻哲钦, 王杰, 刘瑞, 刘忠, 谭建平, 曾栋坪

工程热物理学报. 2024, 45(12): 3698-3705.

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血泵长期恒定流量输送对植入者存在健康风险，变转速运行是实现脉动流量输送的有效方式，但过高转速或偏离设计转速会导致内流紊乱与能量效率下降。对此，研究建立血泵及喷管模型，采用数值模拟与可视化实验方法，结合熵产理论探究血泵在不同转速下的内部流动与能量损失特性。结果显示：流场能量损失及剪切应力随流动剧烈程度显著提升，流场中湍流熵产远高于直接熵产，速度变化梯度对熵产损失与剪切应力存在关键影响；血泵的能量损失随转速增加而提升，叶轮区域的熵产占总能量损失的80% 以上，高转速下后导叶湍流熵产显著增加；叶轮叶片进口与后导叶叶片出口具有最高的局部熵产率，液流进出角与叶片方向的差角及血泵高转速是影响能量损失的核心因素。

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基于稀疏增强动态模态分解的风电场降阶模型

魏赏赏, 顾明轩, 李智寒, 许昌, 赵振宙

工程热物理学报. 2024, 45(12): 3706-3714.

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针对基于标准动态模态分解所得风电场尾流场维数高、模态排序不唯一等问题，本文采用稀疏增强动态模态分解方法(SPDMD) 对风电场尾流进行降阶建模。通过稀疏增强处理优化尾流场不同模态振幅从而提炼风电场尾流中主导模态，并基于主导模态构建数据驱动范式下的风电场尾流模型。通过WFSim 中保真风电场以及SOWFA 的高保真风电场进行案例分析，结果表明稀疏增强动态模态分解方法较标准动态模态分解，所得模态时空分布更为集中，且可以利用更少的模态数实现风电场尾流高精度重构，证明了稀疏增强动态模态分解在风电场尾流降阶模型构建中的优越性。

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风电机组尾流致动线模型的验证与确认

邹嘉鑫, 王晓东, 樊庆洋, 汪涛, 马奎超

工程热物理学报. 2024, 45(12): 3715-3722.

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风电机组尾流效应对风电场的设计和运行有重要影响。基于CFD 模拟的致动线模型可以利用翼型的气动特性数据，对尾流的模拟比半经验尾流模型更符合物理规律。但CFD 模拟采用的网格与湍流模型等对致动线模型效果具有明显影响，因此，需要验证致动线模型的可信度。采用OpenFoam 求解器求解RANS 方程，添加了致动线模型，对单台NREL 5 MW 风电机组尾流场进行数值模拟，分析了k-ε 模型中的5 个模型常数对模拟结果的影响，给出了提升致动线模型模拟效果的参数组合。研究了致动线模型中高斯分布长度因子、致动点数量以及网格尺寸对致动线模拟结果的影响，确认了相关设置的合理范围。本文的研究为提高风电机组尾流致动线模型的精度提供了一定的参考标准。

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长距离管线–立管系统内严重段塞特性的研究

于海洋, 徐强, 曹业奇, 黄博, 郭烈锦

工程热物理学报. 2024, 45(12): 3723-3729.

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长距离–立管是一种将深海井口生产的油气资源输送到海上处理设施的关键管道系统。本文在水平管长度1657 m，立管高度29.1 m 的贴近工业参数水平的长距离-S 型立管系统上开展了严重段塞特性的实验研究。结合立管压差的波动范围及频率分布特征，将观察到的气液两相流型划分为严重段塞流(SS)、过渡流型(TRS) 及稳定流型(STB) 三大类。提出了新的段塞周期预测关联式，偏差为±15%。长管线–立管系统的液塞速度最大可达入口混合速度的23 倍。统计可视水平段内的段塞流动数据，发现了气速诱导液塞的分布规律。

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含水合物多孔介质内驱替与相变演化规律及耦合模型研究

杨明军, 赵国钧, 郑嘉男, 罗坤, 宋永臣

工程热物理学报. 2024, 45(12): 3730-3735.

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海洋水合物沉积层下方常常伴有发育良好的天然气，海底无论是冷泉自然现象还是天然气开采均涉及多孔介质内多相驱替与相变耦合作用这一关键科学问题。目前，仍缺乏针对甲烷在水饱和水合物储层内流动的研究，特别是流动阻滞研究。本文通过模拟沉积层内甲烷渗流过程，重点关注驱替和渗流两个流动阶段。结果表明，驱替过程中水合物层的毛细作用阻碍甲烷流动，造成流动压力升高；甲烷突破储层阻滞效应后进入渗流阶段，且对比发现驱替突破压力与储层水合物饱和度显著正相关。本文综合考虑水合物与流体间多类型作用，建立了水合物储层多相流动与相变耦合模型，预测结果与实验结果高度吻合。本研究对深入理解水合物成藏过程与指导水合物开采具有重要作用。

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液氢推进剂管道预冷仿真

匡以武, 孟金龙, 陆晨, 孙礼杰, 夏勤, 高见

工程热物理学报. 2024, 45(12): 3736-3742.

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对于未来的深空探测任务，低温发动机通常需要多次启停。发动机启动前需要使用低温推进剂对管路进行预冷。对于低温上面级，也存在类似的预冷需求。管道预冷过程中推进剂消耗量与预冷时间相互矛盾，需要统筹权衡。有必要开展预冷特征研究并探寻高效预冷方式。针对管道预冷，分析了不同管道壁面过热度下典型换热机理，建立了非稳态仿真模型。仿真结果与NASA 液氢管道预冷实验结果吻合良好，能够较好地反映液氢预冷过程中的壁面温度特征。预冷过程中，存在明显的气液夹带及液氢浪费。由于核态沸腾与膜态沸腾的共存，在壁温115 K 左右可能出现预冷壁面热流密度的峰值。管壁径向热阻在预冷仿真中不可忽略。适时采用阶梯式预冷，可以显著降低液氢消耗。

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城市车辆轮毂电机用旋转脉动热管实验研究

朱亮, 熊康宁, 汪双凤

工程热物理学报. 2024, 45(12): 3743-3749.

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使用车轮转角模块(WCM) 的新能源城市车辆已成为研究热点。为满足WCM 的多电机驱动方案，需要专门开发低成本、高可靠性、散热性能好且不需要附件系统的冷却方案。本文首先通过建立仿真模型，以研究WCM 电机的产热特性和热负荷大小。然后提出了一种基于三维旋转脉动热管(RPHP) 的电机冷却方案，该方案依靠重力以及旋转产生的离心力和空气气流来强化传热。实验结果表明，即使在1 r/min 的转速下，RPHP 仍能正常运行。在最大热负荷和最高转速时，RPHP 的传热性能良好。在真实驾驶循环NEDC 和WLTC 循环下的电机转子热模拟器的最高温度远低于180°C 的退磁温度。

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微通道内R245fa 沸腾换热和压降特性

李冲, 方贤德

工程热物理学报. 2024, 45(12): 3750-3755.

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对微通道内径1.83 mm 和加热长度170 mm 水平铜管内R245fa 的沸腾换热和压降特性进行实验研究，分析热流密度、质量流率及过冷度对T₅(沿实验段加热长度的轴向位置为z=130 mm) 处沸腾换热和总压降的影响。实验热流密度40 和50 kW·m⁻²，质量流率530、830 和1130 kg·m⁻²·s⁻¹，过冷度10 和15 K，饱和压力177.79 kPa。结果表明: R245fa 在管内沸腾换热的过程中，随着热流密度的逐级增加，管内T5 处相继出现单相流、过冷沸腾和饱和沸腾，其中过冷沸腾和饱和沸腾阶段的换热形式是核态沸腾。换热系数随着热流密度的增大而增大，质量流率决定饱和沸腾起始的热流密度。热流密度、质量流率和过冷度对单相流换热和两相流换热的影响不同，且对压降的影响主要由管内摩擦压降和加速压降的大小决定。

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地震激励下铅铋堆晃荡特性研究

陈亚楼, 明平剑, 于国鹏, 赵俊龙

工程热物理学报. 2024, 45(12): 3756-3761.

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在地震激励下，铅铋重金属流体易在反应堆内发生晃荡现象并导致堆内结构破损，因而对于该现象的研究具有重要意义。本文以反应堆上腔式为模型，基于自研CFD 计算平台进行数值模拟。考虑到铅铋反应堆对结构紧凑型设计的需求，对堆内构件排布进行了改进处理，并与改进前进行对比。研究结果表明，改进后的结构在激励频率较低时对晃荡的抑制作用并不明显，随着激励频率的提高，晃荡抑制作用逐渐增强，并将剧烈的晃荡破碎模态转变为较为稳定的旋转晃荡模态。该研究分析了不同工况下铅铋堆的晃荡现象，对堆内构件的排布进行改进处理，并验证了改进效果的合理性，为铅铋堆的设计提供了指导。

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舰用燃气轮机间冷器优化设计

杨健, 陈俊霖, 成克用, 淮秀兰

工程热物理学报. 2024, 45(12): 3762-3770.

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印刷电路板式换热器具有重量轻、体积小，紧凑度高和传热性能好等优点，非常适合用作舰用燃气轮机间冷器。本文针对舰用燃气轮机用的印刷电路板式间冷器进行了优化设计与分析，建立了印刷电路板式间冷器优化问题的数学模型，通过遗传法的全局优化搜索能力分别以压降最小、质量最轻和紧凑度最高为目标进行间冷器结构参数优化，分析了固定热负荷条件下改变热侧工质质量流量对间冷器性能的影响。结果表明，单目标优化后的间冷器总压降减少了81.52%，总质量减轻了77.66%，紧凑度提高了69.10%。

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锂离子电池热失控前锋面速度研究

章方树, 冯旭宁

工程热物理学报. 2024, 45(12): 3771-3776.

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锂离子电池的安全问题始终阻碍着电动汽车的推广，其安全问题的本质为锂离子电池热失控。锂离子电池的热失控通常是在电池内局部发生，进而以热失控前锋面的方式蔓延到电池整体，该蔓延现象在大容量、大体积电池内尤为明显。本文基于传热学原理，对锂离子电池热失控前锋面速度公式进行了推导，经过验证，该公式可精确预测电池热失控前锋面速度，精确度达到85.34%。本文推导的前锋面公式适用于不同体系的锂离子电池，可直接用来预测电池热失控蔓延速度，指导高安全电池设计。

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分子模拟研究Mg-MOF-74 吸附工业废气中的CS₂

李婕, 刘佳祥, 陶文铨, 李卓

工程热物理学报. 2024, 45(12): 3777-3782.

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二硫化碳(CS₂) 是工业废气中常见的污染物，即使较低浓度也会对人体健康、环境、工业设备造成巨大危害。吸附法是分离工业废气中CS₂ 经济环境效益较高的方法之一。本文采用巨正则蒙特卡洛和分子动力学方法研究了金属-有机框架材料(Mg-MOF-74) 及其改性材料(NH₂-Mg-MOF-74) 对CS₂ 的吸附性能和微观吸附机制，以期获得高效富集CS₂ 的材料并有望应用于工业生产。研究结果表明：材料对CS₂ 的吸附量高于活性炭、沸石等传统材料，属于Langmiur 单分子层吸附；低压条件下，氨基(-NH₂) 有效增大了金属Mg 附近的吸附密度，提高了材料的吸附性能。

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基于热电的散料能量收割装置性能分析研究

周晨捷, 司天誉, 程志龙, 王秋旺

工程热物理学报. 2024, 45(12): 3783-3790.

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自然界存在着大量固体散料，在太阳的辐照下固体散料蕴含大量热量。本文设计了一种基于热电的固体散料能量收割装置，并建立了一维非稳态相变控温-热电发电模型，分析了该装置在沙漠和月球的运行情况，对比了不同初始温度、相变材料种类和相变层厚度对装置输出功率的影响。经过计算，该装置在沙漠日平均功率最高可达1.47 W·m⁻²，在月球日平均功率最高可达14.76 W·m⁻²，该装置利用了昼夜温度波动，能够丰富极端自然条件下的能量来源方式。

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海洋晃荡条件下板式换热器流动冷凝实验研究

吴苏晨, 樊成成, 张文浩, 张程宾, 陈永平

工程热物理学报. 2024, 45(12): 3791-3798.

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板式换热器是浮式海洋温差能发电平台等海洋装备的重要部件。为揭示海洋晃荡对板式换热器冷凝特性的影响，本文采用三自由度运动平台模拟海洋晃荡条件，设计搭建了板式换热器流动冷凝可视化实验系统，研究板式换热器在竖直、倾斜和摇摆姿态下的流动冷凝传热特性，重点分析倾斜和摇摆条件对板式换热器流动冷凝传热的影响特性。研究结果表明，相较于竖直姿态，垂直负倾角和水平正倾角条件下板式换热器冷凝传热性能弱，但垂直正倾角和水平负倾角条件均可改善冷凝传热性能。此外，提高摇摆幅度改善工质均流性，使得板式换热器冷凝传热性能提升，但冷凝传热性能对摇摆频率并不敏感。

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碱性锌钴二次电池在深空探测领域应用研究

尚文旭, 谈鹏

工程热物理学报. 2024, 45(12): 3799-3803.

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深空探测领域是人类科学探索的新前沿，对电源系统提出了较高的要求，目前常用锂离子电池作为太阳电池阵的储备电源。然而，在深空探测任务的极端环境下，锂离子电池存在能量密度低、高安全隐患等局限性，因此需要寻找一种替代电池系统。碱性二次锌钴电池作为一种新兴的能源储存技术备受关注，其具有高理论容量和高工作电压的优势，能够在长时间光照条件不佳时提供持续供电，且高安全性能够降低事故风险。然而，目前面临的挑战主要集中在活性物质利用率低和自放电严重等问题上。本文通过优化质–荷–电传输特性，提高了锌电池中钴基正极的活性物质利用率。同时，针对自放电问题，采取增强电荷转移的方法进行了有效抑制。该研究展示了碱性锌钴二次电池在深空探测中的潜在应用优势，并为探索更先进的能源储存系统奠定了基础，推动了深空探测任务的发展，为人类更好地认识宇宙提供了新的契机。

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基于金属增材制造的新型发汗冷却推力室冷却特性研究

解文博, 郭海龙, 祁超杰, 畅佳琪, 杨卫华

工程热物理学报. 2024, 45(12): 3804-3809.

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目前，航空航天领域中高热负荷部件面临日趋严苛的热环境考验，本文设计了一种新型发汗冷却推力室，采用金属增材制造技术加工制造，并进行了高温燃气换热试验研究该新型发汗冷却推力室的综合冷却性能。研究发现：新型发汗冷却推力室具有高效、经济的特点以应对外部热环境的提升，而提高冷却剂供给可以进一步大幅提升冷却效果；在试验研究的温比(K = 4.47∼ 5.12) 及流量比(M = 0.03 ∼ 0.15) 内，流量比对内壁面温度及综合冷却效率的影响远大于温比；并且存在最优流量比，使冷却效率与冷却经济性最大。本文研究的基于金属增材制造技术的新型发汗冷却推力室加工方式简便、综合冷却效率高，可以为未来先进航空航天热防护冷却结构设计、加工与制造提供参考。

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旋转条件下超临界压力碳氢燃料传热替代模型研究

翁庆言, 姜培学, 胥蕊娜

工程热物理学报. 2024, 45(12): 3810-3817.

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为了预测旋转条件下超临界压力碳氢燃料的对流换热性能，基于LightGBM 算法建立了Nu 数预测的传热替代模型。针对U 型通道中不同的实验段，分别建立了单一管段模型以及基于所有数据的统一预测模型，研究了模型在数据集上的预测性能，同时利用特征重要性进一步认识了换热过程的物理规律。结果表明，离心段、水平段、向心段的预测模型误差分别为2.47%、5.09%、4.48%，三个模型在所有数据上的平均误差为4.06%，而误差为3.32% 的统一预测模型表现更优。说明，即便不同实验段换热规律存在差异，但数据中存在的相似性有助于提高模型的性能。

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内置三维结构的壁载纤维素酶微反应器内传递及转化特性

林凯, 费娉婷, 夏奡, 黄云, 朱贤青, 朱恂, 廖强

工程热物理学报. 2024, 45(12): 3818-3828.

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内置三维结构的壁载纤维素酶微反应器能够高效转化纤维二糖制备葡萄糖，作为后续发酵制取生物燃料的原料。构建了内置长方体结构的壁载纤维素酶微反应器，在纤维二糖浓度50 g·L⁻¹，流量0.2 min mL⁻¹ 的条件下，10 min 的葡萄糖得率高达93.0%。基于上述过程建立了耦合流体流动、物质传递、酶催化反应的数学模型，探究了结构形状、间距、大小等参数对传递及转化的影响规律。在底物浓度20 g·L⁻¹、流量1.0 mL·min⁻¹的条件下，三棱柱结构的设置使得微反应器内葡萄糖表面生产率及葡萄糖得率分别提升了39.9% 及143.0%。而长方体结构能够使微反应器在单位压降下获得最高的葡萄糖产量，其性能参数最高为6.83 g·h⁻¹·Pa⁻¹，相较于表面无结构的微反应器提升了51.4%，有利于实际应用。

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双层针翅歧管微通道热沉歧管层优化研究

李延涛, 曹畅, 汪千翔, 崔大安, 纪玉龙

工程热物理学报. 2024, 45(12): 3829-3836.

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歧管式微通道热沉结构紧凑，换热效率高，有望成为大功率电子元件热管理的有效手段。为了进一步提高双层针翅歧管微通道热沉的换热能力以及温度均匀性，本文对双层针翅歧管式微通道热沉的歧管层进行了结构设计，并以去离子水为工质对热沉的流动与传热特性进行了数值模拟研究。结果表明，通过改变歧管层进出口布置使得上下微通道层的工质流向异向时，可降低热阻的同时降低了热沉表面温差。同横排进口相比，竖排进口可以降低热阻并提高热沉的综合换热性能。进出口直径比为1 时热沉表面温差最大，进出口直径比小于1 时热阻降低，而进出口直径比大于1 时换热能力与等于1 时相差不大。

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混合润湿微结构楔形通道表面池沸腾换热研究

唐叶, 王雪丽, 姬长发, 张鹏举, 张永海

工程热物理学报. 2024, 45(12): 3837-3844.

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为研究微结构楔形通道对池沸腾换热性能的影响，本文设计加工了微柱区域与光滑通道面积比近似为1 : 1 的3 种混合润湿性结构表面(分别为雪花表面、多星表面和少尖表面)，并进行了以FC-72 为工质的池沸腾换热性能研究。结果表明，对于3 种结构表面，汽泡首先在疏水微柱阵列区域生成、长大，然后横向滑移到光滑亲水通道，在该通道内继续生长直至脱离。少尖表面的光滑通道开口朝向换热面中心，且越靠近中心处通道越宽。冷却液体能迅速地向生成汽泡的微柱区域供应，同时大汽泡在光滑通道内及时脱离，因此少尖表面的池沸腾换热性能最好。随着过冷度增大，各表面CHF 增大。换热表面蒸汽柱底部汽膜的出现严重阻碍了液体向换热面的供应，导致局部干涸并引发了CHF。

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相变材料与液冷复合电池热管理系统研究

吴俊辉, 邱雪梅, 张承龙, 周天, 郑年本, 孙志强

工程热物理学报. 2024, 45(12): 3845-3852.

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为了解决相变材料潜热有限导致电池热管理失效问题，本文提出了一种新型复合电池热管理系统，该系统采用带有翅片的蛇形液冷管以恢复相变材料的潜热。采用数值模拟方法研究了电池间距、液冷结构参数以及冷却液流速等因素对复合系统热管理性能的影响，并确定了最佳参数取值。结果表明，采用三种液冷运行模式都能将电池模组温度稳定地控制在50°C 以内。此外，通过优化液冷运行时间，可以保证相变材料的潜热得到及时恢复，并且实现相变材料潜热的最大化利用。

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基于光子晶体的热防护结构热调控性能研究

马晗, 陈强, 杨利鑫, 李彦斌, 费庆国

工程热物理学报. 2024, 45(12): 3853-3862.

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新型高速飞行器服役时面临长时高热流载荷，传统热防护结构受限于材料自身性能已难以满足结构轻量化设计需求。光子晶体因其光子带隙的典型特性有望提高热防护结构的热调控能力，本文提出了一种基于光子晶体的新型热防护结构，具有较好的辐射特性及反射特性，提升了传统热防护结构的热辐射调控能力。通过传输矩阵法求解了光子晶体结构的波传播特性，考虑高温环境和偏振特性的影响，计算得到了光子晶体在不同条件下的反射率。开展了不同辐射载荷条件下的传热计算，通过引入调控系数分析新型热防护结构的热调控能力。结果表明光子晶体具备优异的热调控性能，可以显著降低基体结构的底面温度，为新型热防护结构的研制提供了新的思路。

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多孔平板相变发汗冷却耦合数值模拟

潘明君, 周强, 黄哲庆

工程热物理学报. 2024, 45(12): 3863-3875.

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针对高超声速飞行器主动热防护问题，构建了耦合高超声速主流区和多孔介质区的松耦合数学模型。模拟了主流区马赫数6.47，以液态水为冷却介质的二维多孔平板相变发汗冷却。探索了注入率、多孔材料物性和烧结金属颗粒粒径对发汗冷却效果的影响规律。模拟结果表明：注入率从0.0159% 提升到0.0795%，多孔平板表面平均冷却效率从0.41 上升到0.87。烧结金属颗粒多孔平板的颗粒直径和孔隙率对发汗冷却效率影响较小。随着注入率增大，颗粒直径对发汗冷却效果影响逐渐变小，当注入率F = 0.0795% 时颗粒直径的变化已经不再影响冷却温度的分布；而随着注入率增大，孔隙率对发汗冷却效果的影响规律基本保持不变。相同注入率下不同材料多孔平板出口的平均冷却效率相当，但热导率越小的多孔平板前后端温差越大，且多孔平板进出口温差也越大，整个多孔区域的温度分布越不均匀。

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内燃机条件下湍流燃烧高精度数值模拟

张帆, 钟生辉

工程热物理学报. 2024, 45(12): 3876-3898.

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对内燃机条件下湍流燃烧的高精度数值模拟研究进行了综合评述，其中涉及直接数值模拟(DNS)，大涡模拟(LES)、小火焰模型(flamelet)、输运概率密度函数模型(PDF) 等方法在内燃机湍流燃烧中的应用，对全面了解先进内燃机燃烧模式下，湍流火焰相互作用、喷雾燃烧火焰结构、低温冷焰、自燃和火焰传播模式、以及污染物生成机制的研究现状及前景提出了看法。

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煤粉燃烧过程颗粒物群平衡–反应器网络耦合模型研究

王可轩, 黄骞, 马鹏, 杨远平, 李水清

工程热物理学报. 2024, 45(12): 3899-3905.

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煤粉燃烧过程的颗粒物生成机理复杂，且受流场影响显著，因此发展流场耦合的颗粒物生成模型对碳中和约束下火电机组灵活运行的颗粒物控制十分重要。本文提出了一种将描述颗粒物生成的群平衡模型框架与反应器网络模型耦合的建模方法，可在适宜的计算量下刻画流场特性对颗粒演化动力学的影响。针对用于研究煤粉燃烧颗粒物演化的多元扩散平焰燃烧器，本文建立了一维级联的多反应器网络模型，表明可通过模型参数的调节准确复现流场关键温度分布特性。进而验证了群平衡–反应器网络耦合模型对煤粉燃烧过程的细颗粒物粒径分布特性具有良好的预测能力。

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煤粉燃烧火焰特征影响因素的分析研究#br#

王铁健, 闫文刚, 程海鹰, 苏燕芹, 张志明

工程热物理学报. 2024, 45(12): 3906-3914.

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煤粉燃烧火焰的稳定性影响燃烧效率和污染物排放量。为了探究火焰燃烧稳定性的影响因素，本文根据骨料烘干工艺需求，运用燃烧学、传质传热、多相流动等相关理论，构建湍流流动、热辐射、离散相以及燃烧等行为的控制模型，采用数值模拟与实验验证相结合的方法，研究了过量空气系数和预热风温度对煤粉燃烧火焰的影响。研究表明：过量空气系数及预热风温度均会对骨料烘干煤粉燃烧火焰特征产生影响；过量空气系数由1.0 增加至1.3，火焰长度降低12.1%，火焰体积降低16.3%，高温占有率升高6.1%，火焰整体变形量增加；预热风温度由303 K 增加至373 K，火焰长度提升17.1%，火焰体积提升10.8%，高温占有率提升14.7%，火焰整体变形量增加；当过量空气系数为1.2，预热风温度为343 K 时，火焰特征达到最佳，具有较好稳定性，燃烧效率高，污染物排放量小。

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NH₃/CH₄ 轴向空气分级燃烧NO 生成的动力学分析

李莹, 宗超, 朱彤, 秦朝葵

工程热物理学报. 2024, 45(12): 3915-3924.

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NH₃/CH₄ 燃料面临的最大挑战之一是其在燃烧时会产生大量燃料型NO_x。轴向空气分级燃烧技术降低富氢燃料NO_x排放的效果已被实验初步验证，但仍缺乏对初级燃烧室最佳当量比与NOx 生成之间内在关联的动力学机理研究。本文以一50 kW 级微型燃气轮机燃烧室为研究对象，采用Chemkin-Pro 分析了NH₃/CH₄ 轴向空气分级燃烧中初级燃烧室当量比对NO_x生成过程的影响及存在最佳当量比的内在动力学机理。结果表明，最佳当量比是在初级燃烧室NO 的生成量与燃料燃烧完全性之间取得平衡的结果；含氨燃料燃烧过程中NO 的主要前驱体在不同当量比下均为HNO，但减少当量比会使HNO 反应速率显著提高；在初级燃烧室当量比高于1.21 时，初级燃烧室中的燃烧副产物HCN、H₂ 和CO 在二级燃烧室中的消耗会直接或间接产生O 和OH 自由基，从而加剧NO 的产生。

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同轴射流撞击火焰稳定性及光谱辐射特性研究

刘俊含, 吴润民, 宋旭东, 白永辉, 唐广军, 于广锁

工程热物理学报. 2024, 45(12): 3925-3935.

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基于光谱诊断技术对CH₄/O₂ 同轴射流撞击火焰进行研究，探究了不同扩散方式下撞击距离对甲烷燃烧火焰光谱辐射特性的影响，利用CH^*、OH^*对火焰形态进行表征。结果表明：撞击距离对反扩散火焰举升高度的影响较大。扩散火焰不出现举升状态，但出现离焰现象。撞击距离过小时，撞击发生在火焰核心区，火焰反应剧烈；撞击距离过大时，火焰撞击区内反应受到氧气流速、撞击距离及当量比影响无反应发生。反扩散火焰中，撞击距离对附着火焰峰值强度几乎无影响。扩散火焰峰值强度几乎不受峰撞击距离影响。OH^* 相较于CH^* 而言更适合表征甲烷–氧气撞击火焰内部的结构变化。

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单激光单相机双色PLIF 测量火焰温度场

刘训臣, 王雅瑶, 王震, 王绍杰

工程热物理学报. 2024, 45(12): 3936-3943.

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平面激光诱导荧光是一种重要的湍流火焰成像方法，但火焰中的双色PLIF 测温技术实验复杂，进行高帧频成像所需的高能量高重频紫外激光还比较难以产生，常用的双色OH-PLIF 方法也只能测量火焰面后的高温区。本文发展了一种355 nm双色甲醛-PLIF 测温方法，可以测量火焰面前的火焰低温区。本方法直接采用固体激光的三倍频输出，有较高能量。采用波长切换的高重频脉冲串激光进行了单激光单相机的双色PLIF 测温，简化了传统方法。在层流扩散火焰、湍流射流火焰和两种不同喷嘴的热氛围交叉射流火焰中进行了高重频温度场测量。

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障碍物对氢气爆燃特性影响的数值研究

陈彦斌, 李敏

工程热物理学报. 2024, 45(12): 3944-3952.

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采用CFD 数值模拟技术研究了障碍物形状、阻塞率和空间位置对半封闭管道内预混氢–空气爆燃特性的影响。结果表明，当障碍物阻塞率相同时，火焰传播速度受障碍物形状的影响较小，但障碍物形状对爆燃压力的影响比较显著，三角形障碍物条件下产生的超压最大，圆形的最小，方形、矩形和梯形的接近。对于矩形障碍物，阻塞率对火焰传播速度和爆燃压力均产生明显影响，火焰传播速度随阻塞率增加先变大后减小，不过超压随障碍物阻塞率增大而增大。对于相同阻塞率和间距的矩形障碍物，火焰传播速度和超压在障碍物同时位于管道顶部和底部壁面时最高，位于管道中心位置时次之，位于管道顶部或底部单侧壁面时最小。

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生物质化学链气化制富氢合成气的研究

王潘磊, 徐祖伟, 赵海波

工程热物理学报. 2024, 45(12): 3953-3961.

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本文通过溶胶凝胶法制备了Ca₂Fe₂O₅ 氧载体用于生物质化学链气化制备富氢合成气研究。结果表明，相比于生物质常规的热解和水蒸气气化，采用Ca₂Fe₂O₅ 作为氧载体进行化学链气化时水蒸气和氧载体的协同作用大大提高了H₂ 产率和碳转化率；不同氧载体实验和热力学分析结果对比凸显了Ca₂Fe₂O₅氧载体优异的反应特性；通过对反应工况进行优化得出最佳反应条件为气化温度850°C、水蒸气浓度30% 和氧燃比0.2，该工况下H₂ 产率和总气体产率为0.91 m³/kg 和1.83 m³/kg，H₂/CO 比接近3；最后，10 次循环实验以及氧载体表征结果表明Ca₂Fe₂O₅氧载体的循环稳定性良好，在10次循环过程保持相对稳定的气体产率，且氧载体晶相和微观形貌并无较大改变。

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