工程热物理学报

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2024 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, 周天, 汪辉, 樊傲然, 王磊

工程热物理学报. 2025, 46(1): 1-7.

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统计和分析了2024 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自然科学基金的申请、受理、评审和资助情况。介绍了2024 年度学科面向加强“双碳” 目标在能源动力领域开展的战略研究与立项工作。介绍了学科2024 年度亮点资助成果和2025 年度工作展望。

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化学回注燃气轮机循环系统及热力性能分析

黄宇鹏, 苏博生, 王异林, 黄枝, 袁妁, 黄祺腾

工程热物理学报. 2025, 46(1): 8-19.

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针对化学回热燃气轮机循环发电效率较低和水耗偏大的问题，本研究提出了一种化学回注燃气轮机循环，即将燃气轮机的部分烟气回注至重整反应器，构建甲烷自热重整工艺，从而实现甲烷的高效转化。该技术实现了对燃气轮机烟气余热的提质，提升了循环出功。通过对燃料能量转化过程的改善及对系统换热过程的优化，在设计点工况下，新系统发电效率较化学回热系统提升了9.12%，且在低空压比和高燃气轮机入口温度的条件下体现出更良好的发电性能。经济性分析指出：系统经济回收期为2.3 年，具有良好经济效益。

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区域供热系统动态建模与不确定性分析

林小杰, 毛熠辉, 钟崴

工程热物理学报. 2025, 46(1): 20-26.

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区域供热系统是协调可再生能源与传统能源并实现可再生能源灵活消纳的重要载体之一。考虑到可再生能源出力和用户集群热负荷的不确定性对区域供热网络动态输运过程带来的影响，需对源荷双侧的不确定变量和热网的动态特性进行量化分析。本文首先建立了热网的动态输运模型求解其热量损耗和传输延迟特性，其次应用Gram-Chalier A 算法计算系统源荷双侧节点热功率的概率分布半解析式，并采用贝叶斯可信推断计算节点热功率的概率区间。本文选取北京市某二级热网进行模型精度验证与案例分析，该系统拥有90 个节点和109 个管道，结果表明所提出的模型和所应用的算法能有效量化计算热网节点热功率的波动区间。

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速冻机内多孔介质传热分析模型构建与耦合传热过程分析

杨勇, 陈宝军, 李广富, 张帅, 刘金田, 李文斐, 孔世宁, 张昭, 刘红, 沈胜强

工程热物理学报. 2025, 46(1): 27-34.

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构建了玉米速冻机内堆积床多孔介质传热分析模型，提出了新的利用效率，发现了的波函数和场函数特征。基于此模型，根据降温曲线，预测了多孔介质内玉米降温过程中表面温度、温度梯度、对流传热系数、耗散的分布规律，发现了导热、对流、辐射耦合传热的介尺度特征。研究发现：传热核心的体积尺度、温度梯度增长率决定表面热流密度、对流传热系数大小，内部导热温度降度的波动特性，决定表面热流密度、对流传热系数变化趋势；沿程传热系数可精准预测多孔介质内的温度变化趋势；多孔介质有显著的强化传热作用，面向大空间辐射和多孔介质区域的对流传热系数比例大致为0.6，辐射与对流有一定场协同特征。

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槽式聚光和纳米流体分频PVT 系统设计与分析

王刚, 张震, 姜铁骝

工程热物理学报. 2025, 46(1): 35-41.

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本文提出了一种基于槽式聚光器和氧化铟锡/乙二醇纳米流体分频器的新型太阳能光伏/光热系统。制备了氧化铟锡/乙二醇纳米流体并进行了性能测试。结果表明在全波长范围内，氧化铟锡/乙二醇纳米流体的平均透射率和平均吸收率分别为69.1%和30.9%。对光伏/光热系统的光学性能进行分析，结果表明，PVT 系统的总体光学效率约为89.38%。当南北方向的对日跟踪误差增加到0.2◦ 时，光伏/光热系统的光学效率为84.14%。对光伏/光热系统进行了运行性能分析，结果表明，光伏子系统的光电转换效率为29.1%，光伏/光热系统整体的理论光电转换效率和系统的热效率分别为19.1% 和19%。变参数分析的结果表明，提高光伏/光热系统的热效率可以通过适当增大纳米流体的入口流速、减小纳米流体的入口温度以及减小外部对流换热系数来实现。

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耦合熔盐储热的补燃式压缩空气储能系统热力性能分析

赵朝成, 刘明, 倪广涛, 严俊杰

工程热物理学报. 2025, 46(1): 42-50.

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储能技术是构建新型电力系统、实现双碳目标的关键，压缩空气储能是极具潜力的大规模长时储能技术。本文提出了一种耦合熔盐储热的补燃式压缩空气储能系统，建立了系统热力性能分析模型，研究了不同电负荷需求下关键参数对系统性能的影响规律。研究结果表明，系统的四种运行模式可分别应对高、中高、中低、低四种负荷需求，其中，高负荷输出功率为1573.93 kW，低负荷输出功率为350.15 kW，且低负荷运行模式系统往返效率最高，达69.87%。

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低温风洞中自发凝结氮液滴示踪特性分析

侯佳鑫, 高荣, 张伟, 谢军龙, 张晓青, 陈建业

工程热物理学报. 2025, 46(1): 51-56.

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为解决非接触式流场测量技术在跨声速低温风洞应用中缺乏合适示踪粒子的难题，对自发凝结氮液滴作为示踪粒子的可行性进行了分析。本文建立了Laval 喷管中氮的非平衡凝结数值模型，分析了氮液滴的非平衡凝结过程。进一步，结合Stokes数、响应时间、液滴蒸发时间进行了液滴示踪特性分析。结果显示，自发凝结氮液滴数量与大小可控，且能表现出良好的示踪能力。本文为解决跨声速低温风洞中示踪粒子缺乏的问题提供了新的可行途径，并为氮液滴示踪能力优化奠定了理论基础。

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管径渐变的微管换热器流动与传热性能优化

龚振国, 周文杰, 蔡博文, 王鑫

工程热物理学报. 2025, 46(1): 57-67.

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本文提出了一种管束直径在0.4∼1.0 mm 范围内逐渐变化的无翅片微管换热器结构。采用CFD 模拟的方法，对管径渐变的微管换热器的空气侧流动和传热性能进行了研究分析。同时，利用已提出的相关经验公式结合NSGA-II 算法对流动摩擦因子f 和传热性能因子j 进行了多目标优化，确定了管径渐变微管换热器的最优结构参数，当纵向管壁间距为0.214 mm，横向间距为1.127 mm，管束直径从外到内依次为0.876 mm、0.746 mm、0.697 mm、0.550 mm 时，传热性能因子j 达到最大值0.04169，流动摩擦因子f 达到最小值0.01270。与等径无翅片微管换热器相比，新型结构不仅降低了压降、提高了换热效率，还节省了金属制造材料和制冷剂充注量。

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一种全工况自适应的二氧化碳供暖热泵

何宇佳, 邵亮亮, 曹祥, 张春路

工程热物理学报. 2025, 46(1): 68-71.

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CO₂ 热泵具有良好的低温供热能力和环保性。然而，在供暖场景下，单一模式的CO₂ 热泵难以应对多变的工况。为解决这一问题，本文从热力循环融合和换热匹配优化两个层面提出了一种能够在全工况下自适应最优运行的CO₂ 热泵供暖系统。在热力循环融合层面，该系统具备切换运行机械过冷跨临界CO₂ 循环和过热回收复叠循环的能力。而在换热匹配优化层面，系统通过拆分换热器实现多级加热，从而提升温度场的均匀性。通过仿真分析，本文构建了适应变工况的自适应切换策略，为全工况CO₂热泵的实际运行提供指导。最后，通过对比分析，新系统的全供暖季能效相较于现有系统可提升1.9%∼17.7%。

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跨声速轴流压气机非定常流动机理研究

郎进花, 康嘉诚, 安光耀, 张磊

工程热物理学报. 2025, 46(1): 72-82.

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为了探究轴流压气机单转子叶顶区域的非定常流动机理，针对某跨声速压气机开展数值模拟研究，探究了叶顶泄漏流流场非定常演化特性。研究发现：该转子叶顶非定常流动现象特征频率为1863.3 Hz。吸力面前缘形成的泄漏涡，在一个波动周期内发生破碎，并形成一个新的涡结构；该结构受到压力面吸力面之间的压差及前缘脱体激波共同作用逐渐向相邻叶片压力面前缘外沿移动，并在此跨周期演化过程中出现约1/9 周期的维持现象；泄漏涡破碎后形成的涡结构消散的同时与下一个循环中破碎的涡共同作用，在通道内形成堵塞区，受激波的影响，进一步加剧“前缘溢流” 现象的生成。也依此推测出，涡波干涉导致的泄漏涡破碎是诱发流场非定常性的关键因素。泄漏涡破碎后在相邻叶片前缘形成新的涡结构，其随时间变化发生的一系列演化过程是造成叶顶区域非定常流动的主要原因。

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质子交换膜燃料电池引射器的优化设计

张迪博, 施鎏鎏, 张文杰

工程热物理学报. 2025, 46(1): 83-91.

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针对PEMFC 引射器的性能受结构尺寸影响, 且根据主流设计方法所得到的方案存在严重的设计点偏离问题，本文开展引射器优化设计。首先根据索科洛夫经验公式对引射器进行初步设计，确定需要优化的参数；然后采用拉丁超立方试验设计方法确定初始样本点，样本点的响应值均由CFD 计算分析得到；接着构造径向基函数代理模型，并对其进行超参数调优提高模型性能；再通过粒子群优化算法对当前代理模型进行优化，获得原优化问题的可能最优解；在优化过程中逐步增加内部样本点，并更新代理模型以提高其在全局最优解附近的精度；最后对优化参数进行相关性分析。使用该方法对某引射器进行优化设计，结果表明：引射器在最优设计点处引射系数提高22.5%；喷嘴出口直径、混合室入口直径、喷嘴距混合室入口间的距离对引射器性能具有较大影响。

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基于图像识别技术的风力机叶片损伤检测研究

邢义, 宋力, 刘波, 陈永艳, 焦晓峰, 冯博宇

工程热物理学报. 2025, 46(1): 92-97.

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风力机受恶劣环境影响，叶片表面极易出现损伤，针对其损伤尺寸小、形状样式多变的问题，本文提出了一种基于改进YOLOv5 的轻量化风力机叶片表面损伤检测算法。根据基础网络对小目标位置检测偏差敏感的特点，将NWD 与IOU 两种损失度量方式相结合；同时，为降低网络复杂度，提高网络性能，在YOLOv5 模型主干网络中融入多维动态卷积ODConv。实验结果表明，改进后网络计算复杂度降低45%，算法的平均精度提升8.3%，能较好地识别出风力机叶片表面损伤。

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空调外管路对压缩机振动影响的试验研究

张弘弢, 吴俊鸿, 潘曦, 谢军龙

工程热物理学报. 2025, 46(1): 98-103.

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压缩机是空调的核心部件，其振动特性对改善压缩机的可靠性十分关键。为研究空调外管路固定方式对压缩机振动特性的影响，本文开展了压缩机振动特性试验研究。考虑了包括空调外管路约束位置、约束数量两个变量因素；记录压缩机在30 Hz∼90 Hz 的运行频率下各测试点不同方向的振动加速度。试验结果表明，适量增大约束位置与室外机的距离能更好地实现压缩机的减振效果；增加约束数量仅会在压缩机轴向减振上取得微弱效果，反而会使电机径向加速度大幅增加。

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涡轮导叶吸力面气膜冷却掺混损失全三维分析

王晨枫, 李国庆, 白晓辉, 李年强, 张燕峰, 卢新根

工程热物理学报. 2025, 46(1): 104-113.

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针对现有气膜冷却掺混损失评估方法无法准确计算通道二次流影响区域内的主流冷气掺混损失的问题，本文建立了一种全三维掺混损失计算方法，基于HS1A 涡轮导叶，在吸力面设置具有不同复合角的气膜孔以保证气膜冷却效率要求，进一步通过控制主流与冷气参数分析了损失机理。该评估方法以掺混熵增作为损失评估依据对不同模型进行分析，结果表明：在吸力面气膜孔设置分区域复合角在提升气膜冷却效率的同时将增加掺混熵增。通过设置复合角可以减少二次流引起气膜偏转的损失以及气膜脱离产生的损失。

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带凹腔的旋转爆震发动机的工作特性研究

周剑平, 宋飞龙, 吴云, 郭善广, 康晋辉, 陈琪

工程热物理学报. 2025, 46(1): 114-119.

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本文研究了收敛喷管对带凹腔的旋转爆震发动机工作特性的影响。采用互相关算法对爆震波传播模态进行识别，根据自相关的单圈时滞定义爆震波传播稳定性参数。通过燃烧室出口平均静压和马赫数计算燃烧室出口总压，进而得到总压恢复系数。随着喷管出口面积的降低，可爆当量比下边界会降低。爆震波传播稳定性受喷管的影响较小。降低喷管出口面积，有利于提高爆震波传播速度和旋转爆震发动机的总压恢复系数。

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喷嘴参数调整下的火箭推力室膜冷却优化研究

于柠宁, 王忠巍, 张海

工程热物理学报. 2025, 46(1): 120-126.

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利用数值仿真方法分析某型火箭推力室气膜孔变化对冷却特性地影响，对比了固定吹气量条件下冷却效果，并探究对孔数(Ni=200，300，400)、出口直径(b/S=0.446，0.594，0.743) 及出口张角(β=30°，40°，60°) 的变化对射流状态及冷却效果地影响，结果发现：气膜孔孔数及出口结构参数改变对气膜均匀性及射流流态产生影响，在基准孔结构基础上就行调整，在一定程度上能够改善冷却效果。

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基于七孔探针环形校准与神经网络插值方法的研究

辛建池, 吴化银, 陆华伟, 田志涛, 刘俊

工程热物理学报. 2025, 46(1): 127-137.

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本文采用环形测点布置的七孔探针校准测试方法，在亚音速风洞进行试验得到校准数据。在已有的七孔探针校准插值研究基础上，发展了一种神经网络拟合插值方法并使用鲸鱼优化算法进行超参数优化。优化后的神经网络插值方法与传统的多项式插值、线性插值等方法对比后表明：环形测点布置的校准测试方法能简化七孔探针的校准试验，且能得到可靠的校准数据；多项式插值的角度误差高于0.5°，线性插值的角度误差在0.3° 以内，未经优化的神经网络插值精度较低，部分点角度误差超过1°。相比较而言，优化后神经网络插值算法更具优势：插值精度最高，角度误差在0.2° 以内，马赫数误差在0.8% 以内，总压误差1.08% 以内。

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旋转状态下篦齿流动换热特性研究

杨少昀, 罗磊, 杜巍, 王松涛

工程热物理学报. 2025, 46(1): 138-143.

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篦齿封严是一种结构简单有效的封严技术，广泛应用于航空发动机中。本文采用数值模拟的方法研究了旋转对直通型篦齿封严结构流动换热的影响。研究的参数为Ta/Re 从0 变化0.1。所有的结果都是在雷诺数为6000，10000 和15000 时获得的。结果表明，在研究的范围内，旋转速度的增加会降低篦齿通道内的涡流损失和节流损失，从而导致泄漏系数增大；随着转速的增加，顶部壁面的换热增强而齿腔内的换热减弱。

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单螺杆蒸汽压缩机喷水趋壁成膜特性研究

代泽宇, 王增丽

工程热物理学报. 2025, 46(1): 144-150.

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为实现单螺杆蒸汽压缩机喷水参数的合理调控，本文通过建立三维单螺旋槽道模型，开展了湿压缩过程喷入冷却水趋壁成膜过程的数值模拟研究，分析了槽道内形成有效水膜的覆盖面积以及喷水质量流量、速度、角度和螺杆转速等关键参数对其影响规律。研究结果表明，喷水质量流量对形成有效水膜覆盖面积影响最大，最大增幅为6.77×10⁻⁴ m²；喷水速度、角度及螺杆转速引起的有效水膜覆盖面积增幅依次为喷水质量流量引起增幅的59.85%、50.68% 和47.79%。

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分隔板结构对歧管式微通道沸腾传热特性影响

王进, 张博瑞, 何玉荣

工程热物理学报. 2025, 46(1): 151-157.

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歧管式微通道相比传统微通道具有更低的压降以及更高的传热效率，将歧管式微通道换热方法与沸腾换热方法相结合，将进一步提升装置的换热性能。本文以具有高导热系数的金刚石作为微通道基底，采用计算流体力学方法，研究分隔板结构即歧管式微通道出口与进口尺寸比例以及歧管尺寸占微通道总尺寸比例对装置流动沸腾传热特性的影响。结果表明，歧管式微通道出入口比例大于1 将有利于装置的综合换热性能提高；出入口比例越大，微通道内的气泡更容易破碎和脱离，换热性能更好。

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扰动激波与颗粒群的RM 不稳定性研究

李林飞, 金台, 邹立勇, 罗坤, 樊建人

工程热物理学报. 2025, 46(1): 158-163.

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针对平面激波绕过圆柱产生的扰动激波与N₂/SF₆ 轻重气体界面相互作用产生的Richtmyer-Meshkov 不稳定问题进行了数值模拟，研究了SF₆ 中不同大小颗粒对不稳定发展的影响规律。计算结果表明，对于5 μm、20 μm、50 μm 三种不同尺寸的颗粒，反射激波与轻重气体界面作用的时间和位置不同，50 μm 的颗粒中界面演化更充分，后期湍流化程度更高；比较反射激波与界面作用形成的涡旋结构的发展演化，SF₆ 气体中会形成较多的尖钉、气泡结构，尖钉“腿部” 由于剪切形成KH 不稳定涡旋，最终形成大小不等的涡旋结构，转捩为湍流；5 μm 的小颗粒由于惯性小，跟随流体的运动能力更强，后期颗粒群演化出尖钉气泡结构，50 μm 的颗粒惯性大，与流体运动差别大，颗粒空间分布与气体界面不稳定发展有较大不同。

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基于LBM-IBM-DEM 多孔介质内双/三颗粒迁移特性研究

沈小又, 朱康宁, 佛斌, 蔡杰, 席剑飞, 顾中铸

工程热物理学报. 2025, 46(1): 164-169.

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本文为构建数值模拟模型，通过格子Boltzmann 法求解液相流场，在模拟中采用IBM 和DEM 描述细颗粒在拉格朗日坐标下的受力、运动、碰撞和轨迹追踪，通过模拟双/三颗粒在多孔介质内的迁移，研究细颗粒之间的相互干涉，结果表明细颗粒在多孔介质内的迁移受到其他细颗粒的干涉，该干涉依赖于介质内的流体，当一个细颗粒堵塞时，压力分布会重新调整影响其他细颗粒的迁移，同时其他细颗粒的存在可促进或阻碍细颗粒在多孔介质内的迁移。

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开式自然循环系统排热功率提升实验研究

刘丰, 孙中宁, 孟兆明, 张家珲, 张胜男

工程热物理学报. 2025, 46(1): 170-176.

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华龙一号的非能动安全壳冷却系统采用开式自然循环系统导出事故下产生的余热。为优化自然循环系统的排热性能，本研究基于大尺寸开式自然循环实验装置，在安全壳模拟体的低压条件下开展排热功率优化实验。研究了回路上升段注气和冷却水箱降水位等改进方案对排热功率的提升效果。实验结果表明，水箱降水位和上升段注气均可在提升系统排热功率的同时有效增强自然循环的稳定性。回路上升段内注气对于含气率的提升效果明显强于闪蒸。降低水箱水位可使回路状态逐渐趋于稳定闪蒸，排热功率相比原型最高可提升约86%。在水箱降水位配合上升段注气的改进方案下，系统排热功率最高可增加至原型的2.2 倍。

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自由分子区内颗粒的近壁曳力特性研究

丁宇, 单庆茹, 张克学, 王军, 夏国栋

工程热物理学报. 2025, 46(1): 177-182.

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本文基于气体动理论方法，分别得到了自由分子区内近壁球形颗粒平行于壁面和垂直于壁面运动时的曳力计算式。计算结果表明，当气体分子在壁面为完全镜反射时，则不会有近壁效应产生。当壁面存在漫反射，颗粒运动速度平行于平壁时，颗粒沿平行于平壁方向所受的力为曳力，同时在垂直于平壁方向会受到近壁作用力，其方向在壁面温度较高时为远离平壁方向，在壁面温度较低时为靠近平壁方向；当颗粒垂直于平壁运动时，颗粒沿垂直于平壁方向受力为曳力和近壁作用力的合力。

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中空纤维膜接触器去除室内CO₂ 的流动及传质数值模拟

徐志强, 张立志

工程热物理学报. 2025, 46(1): 183-192.

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本研究对中空纤维膜接触器(HFMC) 去除室内二氧化碳的流动及传质过程进行了数值研究。在中空纤维膜接触器中，吸收液(赖氨酸钾溶液) 在纤维束内流动，而空气在外壳一侧流动。中空纤维膜接触器由纵向和横向间距相等的交错圆柱形纤维管组成。本研究采用计算流体力学方法，系统地研究了空气和吸收液体在中空纤维膜接触器内的流动和传质过程。经过实验验证后，该模型用于计算壳体侧各种运行条件下的摩擦因子和舍伍德数。此外，还提出了预测摩擦因子和舍伍德数的新相关系数。这项工作对于优化膜组件设计工作具有重要意义。

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基于随机游走法的热特性参数重建研究

朱泽宇, 李嘉璐, 张志祥, 高包海, 任亚涛, 齐宏

工程热物理学报. 2025, 46(1): 193-200.

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随着航空航天事业的不断发展，对航天器温度控制的重要性日益突显，特别是需要获取航天器在轨飞行时的外热流数据。本文在利用蒙特卡罗–随机游走法求解导热正问题的基础上，利用协方差矩阵自适应进化策略对二维矩形计算域进行热特性参数反演研究。通过给定计算域不同位置、不同数量的温度以及不同分布的内热源，并分别施加0、1%、3% 的误差，研究了壁面温度和介质导热系数的反演情况，并对平均运行时间进行了统计。结果表明，对于计算域布置10 个测点的情况，已知的测点温度越靠近边界且测点数量为3 个时得到的反演结果较为理想，且内热源分布并不影响反演结果。

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RCC-PCM 围护结构热整流方法及负荷柔性调节研究

陈龙, 徐国英, 胡轩宇, 殷勇高

工程热物理学报. 2025, 46(1): 201-209.

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围护结构热性能对民用、工业建筑和基站机房的空调能耗有重要影响。论文提出一种基于辐射制冷涂层(RCC) 和相变材料(PCM) 复合围护结构的热整流方法，利用RCC 表面对太阳辐射的高反射和红外发射散热，以及PCM 对热流的削峰和延迟效应，实现双重热阻隔与峰值负荷柔性调节。基于自制定形相变板开展了RCC-PCM 结构热性能实验与模拟研究，结果显示：较常规聚苯乙烯泡沫(EPS) 结构，夏季实测RCC-PCM 结构隔热层峰值温度滞后延长3.3 h，内表面与空气温差降低56.3%；七月典型模拟日的峰值热流和日间平均热流分别降低60.3% 和62.1%，夜间PCM 蓄存的86.8% 热量向外传递，体现了近似“热二极管” 的单向热流特性。该结构适应于不同环境下隔热、散热和负荷峰值综合调节，具有良好节能降碳潜力。

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可生物降解氧化镁纳米颗粒用于低温保存缓解低温氧化损伤与机械损伤

汪晓红, 饶伟

工程热物理学报. 2025, 46(1): 210-216.

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冷冻保存过程细胞的常见损伤有低温引起的冰晶机械损伤或氧化应激损伤，通常以分别添加抗冻保护剂或者抗氧化剂进行保护，缺乏可高效且同时减少这两类损伤的研究。本文利用绿色安全、可生物降解的氧化镁材料作为抑制细胞低温损伤和氧化损伤的保护材料，通过控制氧化镁在细胞内的传热传质，从生物和热物理两方面验证了氧化镁纳米颗粒具有强化传热和抗氧化的作用，有助于缓解细胞冻存过程中的氧化损伤和机械损伤，提高细胞无DMSO 低温保存效率。本项工作有望为氧化镁材料在低温保存领域的研究提供新的思路。

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基于频域分析的热系统高效动态模拟算法

李航, 滕润航, 赵甜, 陈群

工程热物理学报. 2025, 46(1): 217-225.

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换热器的高效、准确动态模拟是热系统性能动态分析的关键，然而基于时、空离散的有限差分/体积法难以兼顾模拟计算的精度与速度，不利于热系统的动态性能分析。本文提出一种频域热系统动态模拟高效算法，通过傅里叶变换导出系统内换热器的频域控制方程，并将其分解为初始-扰动部分，分别解析和数值求解，叠加得到系统的动态响应。相比于有限差分法，本文所提出算法在保证精度(偏差<0.3 K) 的同时可缩短计算时间约一个量级。

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附着冰层量子修正比热容的分子模拟

王诗淳, 周乐平

工程热物理学报. 2025, 46(1): 226-231.

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采用分子动力学方法，对铜板上不同厚度附着冰层进行模拟，计算其热容并进行了量子修正。结果表明，在一定冰层厚度(H) 范围内，附着冰层的热容明显高于体材料值，H = 5a (3.5715 nm) 时达到最大值，其中a 是冰晶在z 方向的晶格常数。在冰–铜界面和冰–真空界面分别形成了吸附层和准液体层；H=5a 时，径向分布函数峰值最大；H=6a 时冰层自扩散系数最大，H=5a 时也明显偏高，上述因素都对附着冰层热容有重要影响。

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水力悬浮微型泵空化特性研究及优化设计

韩家成, 薛淞, 左怀宇, 邢冠英, 洪涛, 胡润, 罗小兵

工程热物理学报. 2025, 46(1): 232-238.

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本文采用CFD 数值模拟和正交试验设计对自主研发的水力悬浮微型泵进行空化特性研究与抗空化性能优化。通过数值模拟得到微型泵的空化特性曲线并对不同空化数下的空化流动特性进行分析，选取叶轮进口直径、叶片厚度、吸水室直径、蜗壳基圆高度四个因素进行了正交试验优化，结果表明，吸水室直径对微型泵综合性能影响较为显著。模拟发现吸水室直径增大可使垂直段涡流区显著减少；实验测得优化后样机扬程提高了5.20%，临界空化数减小了59.6%。

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金字塔表面锯齿型板翅式换热器流动与传热特性

张玲, 杨静, 林志敏, 熊帅超, 张永恒, 王良璧

工程热物理学报. 2025, 46(1): 239-250.

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基于耦合传热模型对金字塔表面的锯齿型板翅式换热器通道内流动与传热特性进行了数值研究。采用无量纲参数Se 量化了通道内的二次流强度，对比分析了平直翅片和金字塔表面锯齿型板翅式换热器通道内流动与传热的平均及局部特性，并分析了翅片结构参数和金字塔结构参数对通道内流动与传热特性的影响。研究结果表明：金字塔粗糙元有效提升了翅片侧通道内的二次流强度，从而增强了换热器表面的对流换热能力。在所研究的结构参数范围内，当金字塔高度H_p = 0.65 mm、金字塔长度L_p = 1.25 mm 和金字塔宽度W_p = 0.844 mm 时，金字塔表面锯齿型板翅式换热器的综合强化传热性能最佳。平均努塞尔数Nu_m与二次流强度Se 呈幂函数相关，表明金字塔表面锯齿型板翅式换热器通道内产生的二次流对提高换热器的对流换热能力起了关键性的作用。

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蛇形多孔扁管内燃油流动换热特性数值研究

李玉, 王相钦, 刘东洋, 闵敬春

工程热物理学报. 2025, 46(1): 251-260.

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应用于航空发动机的空油换热器需要在高温大温差的条件下工作，燃油流过换热器时温度会发生显著变化，本文数值研究了蛇形多孔扁管内燃油的流动换热特性，探讨了燃油变物性、管壁温及燃油入口流速的影响，其中蛇形多孔扁管包含6 个管程，每根扁管有3 个圆孔，扁管间由带挡板的歧管连接。研究结果表明：在每根扁管的三个通道内，燃油流量、压降和对流换热系数分布具有相似性，沿远离管道入口的方向依次递增；与常物性相比，变物性条件下管内对流换热系数和燃油温度更高，压降更小；入口流速增加，流量分布的不均匀性变强，而变物性和管壁温对流量分布的影响相对较小。

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10 nm 尺度氮化镓局域热点的传热测量

黄德钊, 孙强胜, 张宏凯, 黄小娜, 徐屾, 岳亚楠

工程热物理学报. 2025, 46(1): 261-268.

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以氮化镓(GaN) 为代表的第三代宽禁带半导体材料在功率半导体、微纳电力电子器件等领域具有重要的应用，而电子器件中广泛存在的纳米尺度热点(小于100 nm) 极大地降低器件热安全阈值，是热安全隐患的重要来源，研究纳米尺度热点、充分理解纳米尺度热源的声子导热行为具有重要意义。纳米热点的可控生成及温度测量一直是工程热物理领域研究的热点和难点，文针对该难题发展的针尖增强拉曼测热技术，同时解决了纳米热点的生成及测温难题，实现了10 nm 尺度热点的传热研究。研究发现由于声子输运的影响，纳米尺度下热点的局部热导率远低于宏观热导率值。进一步结合光热耦合模拟和分子动力学研究，分析了声子在纳米尺度热点处的弹道输运行为，并测算出声子平均自由程，研究发现氮化镓声子平均自由程随温度降低的现象。该研究发展的方法将针尖近场增强效应和拉曼测热技术相结合，实现了10 nm 尺度非接触温度测量和激光定点加热，本文关于声子弹道输运的理论成果还可以用于研究其他器件热安全问题。

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新型热回收气隙式膜蒸馏传热传质研究

郭新瑞, 马峰, 吴江波, 刘姝君, 安周建, 杜小泽

工程热物理学报. 2025, 46(1): 269-275.

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工业废水的处理及淡水资源的获取是当前一个重要的课题。膜蒸馏是一种有着低操作温度、常压操作、产水水质好等显著优点的新型技术。本文进行了直接接触式膜蒸馏的数值模拟，并结合相关实验对比分析了料液温度、料液浓度、孔径等因素对组件内流场及温度场分布的影响。针对直接接触式膜蒸馏热损失较大的组件结构进行改进，提出了一种新型热回收气隙式膜蒸馏组件的设计。新组件可在维持气隙温度、强化冷凝、提高渗透通量的同时，回收部分冷凝潜热，并对新型热回收气隙式膜蒸馏组件的传热传质过程进行了分析。进一步将低品位能源与膜蒸馏系统相耦合，可利用工厂余热、太阳能、地热能等能源作为热源，从而降低能耗。

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计及非线性的分布式能源系统整体运行优化

徐榕鸿, 赵甜, 吕洪坤, 国旭涛, 马欢, 苟星, 陈群

工程热物理学报. 2025, 46(1): 276-285.

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分布式综合能源系统中多能输运与转换过程耦合，非线性强，整体精细化建模分析困难。本文基于热量流法，结合电力系统潮流约束，构建了系统的整体数学模型，完整考虑系统中多能输运与转换的非线性特征，并提出了其“分层–分治” 迭代优化算法，实现了系统的高效、鲁棒运行优化。结果表明，本文构建模型的优化结果更准确，忽略非线性传热约束后电制热装置制热量相对误差可达36.7%，忽略节点电压约束后储热装置实时储热量相对误差可达57.3%。

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跨/超临界条件下火焰面方程求解与分析

曹含章, 吕钰, 韩旺, 富庆飞, 杨立军

工程热物理学报. 2025, 46(1): 286-299.

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本文在FlameMaster 程序基础上，发展了跨/超临界计算函数包，实现了跨/超临界条件下火焰面方程的求解。首先，构建了跨/超临界燃烧模型，通过立方型真实流体状态方程以解释跨临界流体在“伪沸腾” 区域所表现出的偏离理想气体的热力学行为，并对热力学性质与输运性质等参数进行了真实流体效应修正。然后将上述模型植入FlameMaster 程序并对相关的数值方法进行了调整以保证求解器稳定收敛。最后，通过典型工况算例，对修改后的FlameMaster 程序进行了验证。在此基础上以跨/超临界液氧/气氢火焰为例，研究了模型实现过程中的一些重要细节和结果，包括采用不同真实流体状态方程得到结果的差异、真实流体模型与理想气体模型的偏离以及网格算法因素对计算结果的影响，并进一步利用相图方法研究了不同条件参数对火焰结构的影响。

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滑动弧等离子体燃烧室头部点火燃烧特性研究

张磊, 于锦禄, 赵兵兵, 张登成, 王晓敏, 胡雅骥

工程热物理学报. 2025, 46(1): 300-309.

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为验证滑动弧等离子体燃烧室头部点火、助燃的有效性，搭建了单头部旋流燃烧实验平台，开展了滑动弧等离子体燃烧室头部点火、燃烧特性研究，着重分析了滑动弧等离子体对着火过程、点/熄火边界、燃烧反应区的影响。研究表明，滑动弧等离子体点火改变了传统燃烧室的点火燃烧过程，拓宽了燃烧室稳定燃烧范围，点火边界最高可拓宽36.7%，熄火边界最高可拓宽83.4%；滑动弧等离子体助燃使得燃烧反应区面积增大，反应区碎片减少，燃烧开启角度增大。

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考虑多孔介质形态的燃烧模拟研究：孔隙结构和材料的影响

李亮, 张瑞方, 张扬, 张海

工程热物理学报. 2025, 46(1): 310-318.

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多孔介质燃烧可提高燃烧速率和稳定性，实现预混燃气在极贫/富燃条件下的稳定燃烧，拓展可燃极限。本文基于多孔介质的体积平均假设，建立了考虑多种形态特征的多孔介质燃烧模型，对不同结构与材料参数条件下的多孔介质燃烧特性进行了模型计算。分析表明，孔隙率、平均孔径、弯曲度、材料热导率和发射率这五个参数通过控制气固换热、导热和辐射过程影响多孔介质中的燃烧状态。由于辐射的作用，孔隙结构对燃烧速率的影响相比材料更加显著，较小的孔径和较高的弯曲度会促进气固换热过程并提升燃烧速率，但气固换热过于强烈将增强辐射热损失，无法实现稳定燃烧，出现多孔介质熄火。模型所预测的孔隙结构与材料对多孔介质燃烧特性的影响规律与实验结果一致。

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掺氨条件下生物质单颗粒着火特性研究

陈晨霖, 王智化, 王晓波, 何勇, 翁武斌

工程热物理学报. 2025, 46(1): 319-325.

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基于CH* 自发光信号图像，系统研究了常规及掺氨条件下生物质单颗粒燃烧过程的着火特性，分析生物质种类、氨气掺混、背景烟气氧浓度、生物质单颗粒粒径等因素对生物质燃料着火延迟时间等燃烧特性参数的影响。结果表明：掺氨工况下生物质单颗粒的脱挥发分过程和燃烧反应速率显著加快，玉米秸秆及小麦秸秆单颗粒的着火延迟时间缩短、燃烧强度提高；生物质单颗粒粒径的减小和背景烟气氧浓度的增加均会使得生物质燃料着火过程提前。

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化学激波管中用于激波增强的汇聚曲线

白世杰, 李世龙, 梁兴雨, 王昆

工程热物理学报. 2025, 46(1): 326-335.

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反射激波强度(压力) 及其持续时间(测试时间) 是评估化学激波管测试性能的主要指标。汇聚曲线能够在相同初始条件下形成更强的激波，然而其在反射激波后会产生压力峰值而无法保持恒定。本研究的主要目标是构建适用于化学激波管中的汇聚曲线，使其具备反射激波后的恒定压力区以及较小曲度的波形分布。首先，基于气体动力学和激波动力学原理，建立了八种不同汇聚曲线的数学模型。其次，搭建了具备不同汇聚曲线的化学激波管二维模型。最后，探究了不同化学激波管内部波系的波形分布，揭示了反射激波后测试时间和压力值的变化规律。结果表明：基于激波动力学的汇聚曲线倾斜角为2° 时，其反射激波后形成了较长的压力恒定区，且波形曲度最小。

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过渡金属掺杂Ni/SSZ-13 催化剂的CO₂ 甲烷化性能研究

黄俊, 杨应举, 刘晶, 白红存

工程热物理学报. 2025, 46(1): 336-341.

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基于可再生能源电解水制氢，CO₂ 热催化还原合成CH₄ 是一种理想的转化路径。为了开发高性能的CO₂ 甲烷化催化剂，采用共浸渍法制备了过渡金属(Mn、Fe、Co、Cu、Zn) 掺杂改性的Ni/SSZ-13 催化剂，探究过渡金属掺杂剂对催化剂甲烷化性能的影响。结果表明，Mn-Ni/SSZ-13 催化剂具有最佳的CO₂ 甲烷化性能，Mn 掺杂可以最大程度提高Ni/SSZ-13催化剂的性能。Mn 掺杂质量分数为2% 时，CO₂ 转化率为84.62%，CH₄ 选择性为98.02%，接近CO₂ 甲烷化反应的热力学极限。金属Zn 或Cu 掺杂提高了CO₂ 催化加氢的CO 选择性，有利于逆水煤气变换反应的进行。

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