太阳能腔式熔盐吸热器随时空变化的光-热-力耦合一体化方法、机理分析及其失效准则研究

基于本团队前期已提出的蒙特卡洛光线追迹(MCRT)与杰勃哈特(Gebhart)方法耦合的光学模型,在综合考虑了吸热器内复杂的导热-对流-辐射耦合换热过程的前提下,建立了塔式系统中熔盐吸热器的光-热-力耦合的一体化数值分析模型.基于此模型,探讨了典型工况下吸热器的太阳辐射能流、温度以及热应力的时空分布特性,并考察了不同管材导热性能、熔盐流路布置方式对吸热器的光-热-力耦合特性的影响规律;最后提出了光-热-力耦合条件下腔式熔盐吸热器应力失效的临界能流密度判定准则.结果表明:非均匀的辐射能流对吸热器的温度与热应力影响显著,温度与热应力分布也呈强烈非均匀性;辐射能流与热应力随时空变化显著,但温度变化不明显,正午时刻辐射能流与热应力峰值最高,与上午11时和下午13时相比,峰值热应力分别增加11%与10%;不同管材对热应力的影响较为显著,采用高导热性能的吸热管材可有效降低热应力,与800H管材相比,采用高导热性能的316H管材峰值热应力可降低37%;采用低能流区向高能流区的熔盐流路布置方式吸热器温度分布更均匀,有利于降低热应力峰值,与相反的流路布置相比,峰值热应力可降低20%;管材断裂韧性可作为判断熔盐吸热器应力失效的重要指标,由本文提出的应力失效的临界能流密度判定准则表明,管材断裂韧性劣化越严重,导致吸热器应力失效的临界能流密度越低,增加吸热器失效的风险.     

聚光型太阳能热发电系统非均匀辐射能流特性及解决方法的研究进展

分别对槽式、线性菲涅尔式、塔式、碟式4种聚光型太阳能热发电技术中的聚光集热系统内非均匀辐射能流分布特性及由此带来的问题和挑战进行了总结,重点回顾了针对非均匀辐射能流特性带来的问题所提出的解决方法的研究进展,包括作者团队近年来在该方面的相关研究.分析看出,吸热器内的太阳能辐射能流分布表现出强烈的非均匀性,不均匀的辐射能流分布必然造成吸热表面/吸热体内不均匀的温度分布,即出现过高的局部温度、过大的温度梯度.局部温度过高容易造成局部热斑烧毁、吸热涂层性能减退、传热流体变性劣化;温度梯度过大导致出现热应力热变形,容易造成吸热器关键部件的结构失稳破坏.接着指出,非均匀的能流分布之所以给聚光集热系统带来诸多挑战,其根源在于吸热器内均匀的吸热能力与吸热表面/吸热体内非均匀的能流分布之间不能相互匹配,进而导致吸热表面/吸热体出现不均匀的温度分布.据此,作者将现有的解决方法总结分类为两种途径:(1)优化吸热器的"吸热"能力,使之与非均匀分布的太阳能流相匹配;(2)均化"聚光"系统内吸热表面/吸热体内的太阳能流分布,使之吸热器内均匀的吸热能力相匹配.最后,本文提出了解决聚光集热系统内非均匀能流特性问题的思路:需要从"聚光"与"吸热"不匹配的矛盾入手,以"光热匹配"为原则对聚光集热系统进行优化,提高"聚光"过程与"吸热"过程的协同性.     

太阳能高倍聚光加热条件下单个固体颗粒下落过程传热特性

下落式固体颗粒吸热器是指固体颗粒在吸热器中下落,同时被太阳光辐射加热,以得到高温固体颗粒.本文建立了单个固体颗粒下落的模型,模拟不同直径的固体颗粒在相同条件下自由下落过程,发现固体颗粒直径较大时,对流损失和辐射损失更小,下落高度能够达到的最大温度更高,所需受热的距离更长.空气流速对固体颗粒的最终温度没有影响,但会缩短固体颗粒在达到最终温度时的下落距离.改变热流密度的大小,发现固体颗粒所能达到的最终温度升高,达到最终温度所需的下落距离缩短.这些结果对下落式固体颗粒吸热器的实验和实际运行具有指导作用.     

塔式太阳能热发电水工质腔式吸热器研究进展

近年来,传统化石燃料消耗带来的严重问题(如温室效应、雾霾等)越来越多地引起全世界的关注,新能源成为各国争相研究的热点.塔式太阳能热发电被视为未来最有潜力的发电方式之一.水工质腔式吸热器作为塔式热发电电站中实现光热转换的关键部件,其性能对塔式热发电有决定性影响.本文从塔式热发电及水工质腔式吸热器原理、水工质腔式吸热器近五年研究状况、展望3个方面总结介绍水工质腔式吸热器研究现状及未来发展方向,重点分析国内外对塔式热发电水工质腔式吸热器的研究.     

基于(火积)守恒方程的可逆热力循环(火积)分析及其应用

将(火积)分析应用于热力循环性能的分析和优化中.首先在可逆热力过程和热力循环的分析中提出了热(火积)流和功热(火积)流的概念,并建立了相应的(火积)守恒方程.其次通过对可逆热机热泵联合循环中(火积)守恒的分析表明,与通常的热泵循环不同,热机-热泵联合循环的功能类似于电学中的变压器(电压变换器),因此可把此类联合循环称之为变温器或温度变换器.此外,取决于联合循环热源的温度,在某些条件下联合循环必须向环境输出功热(火积)流,从而降低联合循环的性能;而在另外一些条件下则可以从环境吸收功热(火积)流,从而提高联合循环的性能.最后,基于热质理论指出了热(火积)实际上是热质能的简化表达式,因而热(火积)流和功热(火积)流则分别是热质能流和功热质能流的简化表达式,它们实际上都是相对性能量.因此,类似于电压变换器中电能与磁能满足能量守恒定律,热机热泵联合循环中不仅热量和功量满足能量守恒定律,热(火积)流和功热(火积)流还满足相对性能量守恒定律,从而(火积)分析方法可用于分析可逆热力循环的性能,而熵分析及?分析方法则无法分析可逆热力循环的性能.最后,本文以两种典型的热机-热泵联合循环为例分析了联合循环的性能评价方法.     

非均匀热流下R245fa/R134a两相流型及换热特性

针对有机工质在非均匀热流边界条件下的气液相变问题,基于质量分数配比为0.7:0.3的非共沸工质R245fa/R134a,建立了非均匀热流下10 mm内径水平管内的两相流动沸腾换热实验系统.实验工况为质量通量175～373kg/(m~2s),热流密度9.95～47.57 kW/m~2.利用高速摄像仪和图像处理技术,对观察到的泡状流、塞状流、分层流和环状流4种流型进行了灰度值分析,并分别绘制了非均匀加热和均匀加热时的流型图.基于流型分析了干度、质量通量、热流密度和饱和温度对两相换热系数的影响,并将实验数据与4种现有关联式进行对比.结果表明,在相同的加热量下,相比于均匀加热条件,非均匀加热条件下流型由间歇流转变为环状流时的初始干度更低;换热系数在低干度区随干度变化较小,而在干度较高的环状流区域随干度增大而增大.此外,换热系数随质量通量、热流密度增大而增大,而饱和温度对对流沸腾区换热系数的影响不大,对核态沸腾区有一定影响.在非环状流区域4种换热关联式的预测能力都表现较差,而在环状流区域SunMishima关联式的预测精度相对最高.     

空气湿度对人员可接受热环境的影响及评价

室内温湿度对人员舒适健康有着显著影响,尤其在偏热和偏冷环境下.如何评价较大空气湿度范围内温湿度耦合作用及其影响尚缺乏系统认识.我们在人工气候室分别开展了冬夏季涵盖偏冷到偏热(16～32℃)、低湿到高湿(15%～85%)共40个工况的人体热舒适实验,累计800余人次.结果显示,相对湿度对人员热舒适的影响随温度升高逐渐显著(夏季32℃/冬季28℃),湿感觉随相对湿度增加而显著增加;低温下空气绝对含湿量低,人体各部位刺激感比例随相对湿度降低而增加;低温下人员感知空气品质随暴露时间增加而降低,高温下人员适应性提高了人员对空气品质感知.研究计算了不同工况下人体呼吸总热损失,并建立其与人员热感觉(thermal sensation vote,TSV)和可感知空气品质(air quality vote,AQV)的关系:随着呼吸总损失增加,人员热感觉线性降低(回归系数:-0.66),感知空气品质升高(回归系数:0.2).基于TSV∈(-0.5,+0.5)和TSV∈(-0.75,+0.75),得到了冬夏季满足90%和80%人员满意率的标准有效温度(standard effective temperature,SET)上下限值,和等SET条件下温度-相对湿度(30%～70%)舒适区间,且大于国际标准ASHRAE 55推荐的温度区间.研究量化了空气湿度对人员热感觉的影响,揭示了低湿和高湿通过影响皮肤表面散热和呼吸蒸发热损失影响人员可接受温度区间,研究结果可为提出合理室内空气湿度设计参数、保障室内热环境舒适健康营造提供一定参考.     

泡沫金属对高温熔盐熔化过程的影响

泡沫金属对高温熔盐的相变过程影响很大.本文通过Fluent软件研究了在微重力、真空条件下,泡沫金属的孔隙率,填充位置和体积对高温熔盐熔化过程的影响.结果表明,虽然泡沫金属的孔隙率的变化对高温熔盐整个熔化过程温度的分布影响不大.但是,随着孔隙率的变小,对熔化速率的影响越小.泡沫金属的填充体积对温度分布影响较小,但是填充位置对融化过程温度场影响很大.在一定范围内可以减少泡沫金属的填充体积,将泡沫金属填充到一定的位置来增加蓄热量.     

以氦-3为工质的回热式气体制冷机性能分析

现有液氦温区回热式低温制冷机的实验测量和理论仿真研究几乎都采用氦-4为工质,改用氦-3为工质时低温制冷机理论上可突破氦-4的λ相变限制,获得低于2K的无负荷制冷温度,并在液氦温区获得更大制冷量.通过比较氦-3与氦-4的热物理性质差异以及低温制冷机回热器仿真计算,从回热器损失、制冷量、相对COP等多个方面定量分析了分别采用氦-3和氦-4为工质时低温回热器的性能.证明氦-3工质可以显著改进回热式气体制冷机的低温制冷性能.     

青藏高原坡面尺度冻融循环与水热条件空间分布

冻土的广泛分布使得青藏高原地表冻融循环与水热条件成为地球科学系统研究的关键之一.高原复杂的下垫面条件导致了冻融循环与水热交换显著的空间非均一性,而坡面尺度是认识地表过程空间变化的基础.本文基于青藏高原地表冻融循环与水热交换空间非均一性研究成果的回顾,利用安多地区近期的观测、模拟成果揭示了该领域的最新进展:首先评价了探地雷达在冻融循环与土壤水热空间变化研究的适用性;其次利用多元手段,显示了冻融循环与土壤水分坡面尺度的空间非均一性.另外利用冻土水热模型的敏感性试验发现:地表升温背景下,冻融过程与土壤水分在不同时期、不同深度、不同坡面的响应均有所不同,升温引起两个坡面冻结周期和速率变化明显.而且升温幅度越大,土壤水分的响应越明显,表层土壤水分的相对变化更为剧烈;对坡面而言,北坡的响应更为显著.     

歧管式微通道热沉中过冷流动沸腾的数值模拟

歧管式微通道(manifold microchannel, MMC)热沉散热技术是新兴的微尺度电子冷却技术,具有较高的散热潜力和应用前景.本文使用基于开源软件OpenFOAM编写的自编程求解器,对MMC热沉内过冷流动沸腾的过程进行数值模拟研究.与实验数据进行比对验证之后,对微通道热沉的通道宽度和翅片宽度变化带来的影响进行了初步探讨.结果表明,当通道和翅片的宽度相同时,尺寸越小,热沉加热面的平均温度越低,换热性能越好;但是当宽度过小时(小于15μm),热沉进出口总压降将随着宽度变小而大幅增加.当MMC热沉的通道总数保持不变时,增大微通道宽度,翅片宽度减小,加热面平均温度逐渐上升,进出口压降减小.与经过实验测试的热沉样品A相比,热沉C在牺牲少量换热性能的前提下,可以大幅度降低热沉进出口的压力损失.     

斯特林型脉管制冷机中的回热器温度不均匀性研究

回热器是脉管制冷机和热声热机中的最关键部件之一. 当回热器由中小功率放大到大功率时, 其内垂直于声传播方向的热力和水力联系变弱. 在这种情况下, 任何的非对称因素都可能在制冷机或发动机的回热器内引发严重的不稳定性问题, 从而降低制冷机或发动机的性能. 对一台大功率二级热耦合U型斯特林脉管制冷机进行了实验研究, 通过对中间换热器和回热器周向温度分布进行测量, 发现了一种由级间预冷不对称性引起的回热器温度不均匀性. 观察发现, 回热器周向的温度不均匀性源于第二级回热器的中间换热器, 之后, 这个温度不均匀性在回热器中以内部直流的形式自行放大, 最大径向温差可达30~40 K. 在对第一级冷头外加热负荷并逐步增大热负荷直至把第一级的预冷效应转变为加热效应的过程中, 回热器内的温度不均性逐渐变弱, 最后其方向发生逆转. 本研究证明了在大功率回热式热机中保持换热器加热或冷却作用周向均一的重要性.     

有机硅-无机硅高转化率耐高温消融材料的热性质

采用含特种基团有机硅聚合物制备了拉伸强度为3.92 MPa, 扯断伸长率为285%的新型硫化硅橡胶, 与道康宁公司Sylgard®184硅橡胶相比具有更好的耐高温性能, 室温至430℃下基本无热失重. 采用热失重分析方法研究了新型硅橡胶在不同温度下的热降解行为, 通过傅里叶变换红外光谱跟踪测定了不同温度下高温热解产物的红外光谱吸收. 研究表明, 随热处理温度升高, 高温热降解产物中有机烃基基团逐步分解, 有机硅橡胶逐步裂解转变为典型的无机硅碳氧化合物; 元素化学分析以及光电子能谱测定结果显示, 1050℃以上, 残余产物的组成主要为Si, C, O元素; X射线衍射分析表明, 在1050~1500℃氮气氛条件下的热解产物中逐步转化生成了部分β-SiC 结晶结构, 且随处理温度升高, 碳化硅、方石英的结晶度显著提高.     

13 K热耦合二级Stirling型脉管制冷机

Stirling型脉管制冷机比G-M型脉管制冷机具有更紧凑的结构和更高的制冷效率, 已经成为低温制冷机领域的研究热点. 为了获得低于20 K的无负荷制冷温度, 设计建立了一台热耦合二级Stirling型脉管制冷机. 热耦合级间布置方式使得各级制冷机内的工质流动相互独立, 便于小孔阀和双向进气阀调相结构的优化调节, 有利于实现系统内直流流动的有效控制, 级间制冷量的分配也更为灵活. 采用一台线性压缩机驱动该制冷机, 在200 W输入电功率条件下, 实现了14.97 K的无负荷制冷温度. 采用两台线性压缩机分别驱动第一级和第二级脉管制冷机, 在400 W总输入电功率条件下, 获得了12.96 K的低温, 为目前国内外公开报道采用二级Stirling型脉管制冷机获得的最低制冷温度.     

布置带劈缝球凸结构微通道热沉内流动和换热特性

将球凸结构与鲨鱼皮仿生概念相结合,提出了带劈缝的球凸结构,并对布置该结构微通道内的流场结构和换热特性进行了数值分析.研究结果表明,宽劈缝通道有利于降低其尾缘逆压梯度,抑制通道流动分离;劈缝通道外移,劈缝壁面温度明显降低,通道尾缘分离泡尺寸减小;斜劈缝通道将主流沿展向引射到侧面,强化了通道二次流,有效降低了侧面角区温度,通道各壁面的温度均匀性得以提升.相同条件下, B方案(劈缝中心线在球凸直径上相对位置w/D=0.25)通道相对范宁摩擦系数(f/f_0)较小,劈缝宽度较大的工况中上述趋势更为明显,而劈缝宽度为10μm的微通道换热能力优势明显; A方案(w/D=0.33)中,劈缝宽度为15μm的通道f/f_0很低,其综合热性能(TP)较好.本研究中布置带劈缝球凸微通道TP最大为185.3%,表现出了良好的强化换热和节能性能.     

电石熔炼过程单颗粒模型与球团新工艺强化机制

传统的电石规模化生产以块状生石灰和焦炭为主要原料,在矿热炉内通过电热作用熔炼生成碳化钙.球团新工艺以生石灰粉和低阶煤粉替代块状生石灰和焦炭,经压球、热解后的热球团作为矿热炉的原料.本文建立了传统块料工艺和球团新工艺的单颗粒传输和反应模型,分别对两种工艺在相同供电功率和生产率条件下的熔炼过程进行了数值模拟,探讨了球团新工艺的强化机制.结果表明,电石化反应吸热量显著,两种工艺在达到反应温度后,均存在升温缓慢的热滞留阶段,约占整个过程的45%～50%;在传统块料工艺中,固相扩散显著影响反应速度,熔炼进程受扩散、反应混合控制,而球团新工艺采用细粉料均匀混合压球,熔炼进程只受反应控制;球团新工艺在炉料均混和热装入炉的双重作用下,生产率可提高11%,且具有以煤代焦和以热代电的能源替代效果.     

疏水链长和温度对阳离子单链和Gemini表面活性剂的自组装以及与牛血清蛋白相互作用的影响

利用等温滴定微量热方法研究了疏水链长和温度对六亚甲基-1,6-双(烷基二甲基溴化铵)(C_nC_6C_nBr_2)和烷基三甲基溴化铵(C_nTAB)这两个系列表面活性剂的自组装以及与牛血清蛋白(BSA)相互作用的影响.结果表明,随着疏水链增长,表面活性剂胶束化焓值(DH_(mic))变得更负,胶束化自由能(DG_(mic))的变化主要来自于胶束化熵变(DS_(mic)).温度对表面活性剂的临界胶束浓度(CMC)影响不大,但对DH_(mic)影响较大,在所研究的温度区间内的DH_(mic)都是负的,而TDS_(mic)是正的,并且TDS_(mic)的绝对值明显大于DH_(mic)的绝对值,证明这些表面活性剂的胶束化过程都是熵驱动为主的.随温度升高,焓对胶束化过程的贡献越来越大,而熵贡献越来越小.多数表面活性剂与BSA相互作用的量热曲线呈现两个吸热过程和两个放热过程.疏水链长的变化会显著影响第二个吸热过程和第二个放热过程.温度会显著影响第二个吸热最大值的出现和强度.相比于单链表面活性剂与BSA之间的相互作用,疏水链长和温度对Gemini表面活性剂与BSA之间相互作用的影响更显著.     

全球植被分布对陆面气温影响的半解析分析

植被分布对全球环流及其温度分布有极其重要的影响, 对于自由大气的无黏性绝热、斜压、大尺度定常有限扰动, 通过三维环流控制方程来描述, 再结合P坐标下的静力方程得到温度的控制方程, 化成到地形坐标系下, 得到环流温度的三维控制方程. 结合下边界辐射平衡条件与常数上边界条件, 可以给出全球环流温度的半解析解. 本文只讨论了陆面气温的分布, 可以看到该模型能够较好地反映全球陆面气温的分布, 而且当考虑到植被反照率对温度的反馈时计算的结果更加符合观测值. 对于敏感性试验, 考虑到全球陆面为冰雪覆盖时陆面气温有较大的降低, 全球陆面为森林覆盖时陆面气温偏高. 所以本模型能够从理论上半解析地给出陆面气温随植被分布的变化, 是研究陆面生态分布对陆面气温变化的一个较好的工具.     

气体微通道流动的传递特性

采用微观的拟颗粒模型研究了努森数在0.01~0.20范围内气体微通道流动的速度和温度分布. 发现速度分布主要受努森数和所加外场力的影响, 随努森数增加, 壁面滑移速度先增后降, 而温度分布也受外力场的显著影响. 达西(Darcy)摩擦因子随努森数增大而增大, 而它随马赫数的变化与所谓层流向湍流转捩提前的趋势相似.     

金属泡沫固体复合材料的周期性非稳态热响应特性

金属泡沫是一种高导热性多功能材料,内部传热有明显的局部非热平衡特性,而在导热中的热响应特性与外界环境密切相关.本文基于两方程模型研究了填充固体石蜡的金属泡沫复合材料在非稳态过程中的热响应特性.结果表明,金属泡沫与石蜡间存在局部非热平衡效应,需采用两方程模型计算.当环境温度随时间作周期波动时,金属泡沫内温度场也呈周期波动,并且,随环境温度波动周期的增大,局部非热平衡效应先增大后减小,即存在一个共振周期使得局部非热平衡效应最明显.在外界温度波动幅度一定时,金属泡沫内温度振幅随波动周期的增大呈对数趋势增大,不同位置振幅的衰减程度不同,距加热面越远衰减越多.本文还详细讨论了金属泡沫的孔隙率、孔密度、热扩散率,以及石蜡中含纳米颗粒添加物对复合材料热响应特性的影响程度.在实际应用中,应综合考虑这些影响因素,从而使该复合材料的换热性能达到最优.本文揭示了金属泡沫导热中金属骨架相和填充固体相的温度差异,对于多孔介质非稳态热传导的局部非热平衡特性具有直接的科学意义.