Numerical investigation on heat transfer characterization of liquid lithium metal in pipe

Liquid Li metal is a promising nuclear reactor coolant; however, relevant research regarding its heat transfer characteristics remains insufficient. In this study, a steady-state two-dimensional mathematical model is established to describe the heat transfer process of liquid Li in a straight pipe. A numerical analysis is conducted to investigate the effects of inlet velocity, inlet temperature, and wall heat flux on heat transfer in liquid Li. The results indicate the advantage of using liquid Li for improving heat transfer at high inlet temperatures (> 1000 K) compared with using liquid sodium and lead–bismuth eutectic. Considering the mechanism of the outlet radial heat flow model, the ratio of turbulent to molecular diffusion coefficients presents a parabolic distribution along the radius of the pipe. Increasing the inlet velocity, decreasing the inlet temperature, and decreasing the wall heat flux can effectively weaken the dominant role of molecular heat transfer owing to the low Prandtl number of liquid Li. The heat transfer of liquid Li is investigated comprehensively in this study, and the results provide a basis for the practical application of liquid Li as a promising coolant.     

干、湿大气环流模式中地表增温的经向分布及其机制

使用耦合了平板海洋的三维大气环流模式, 探究理想条件下极地增温放大现象的产生机制。实验中关闭海冰和云的辐射效应, 固定地表反照率, 并将海洋经向热量输送设置为零。通过控制地表蒸发的有无, 模拟湿大气和干大气两种情形。模拟结果显示, CO₂浓度加倍后, 湿大气环流模式中存在极地增温放大的现象, 而干大气环流模式中不存在这种现象。在干大气环流模式中, 地表增温幅度基本上不随纬度变化, 即均匀增温。湿大气环流模式中, CO₂浓度加倍导致的直接辐射强迫和水汽反馈导致的辐射效应都是热带比极地更强, 唯一能够解释湿大气中极地增温放大原因的是从赤道向极地的大气能量传输增强。在干大气环流模式中, 从赤道向极地的热量输送及其变化比湿大气弱很多, 因此无法支持极地增温放大现象。干大气中的均匀增温是CO₂的直接辐射强迫和普朗克效应相互竞争的结果。研究结果表明, 与水汽相关的经向热量输送是地球极地增温放大的关键因素, 而在基本上没有水汽的火星上, 可能不会出现极地增温放大现象。     

基于改进多目标遗传算法的连铸二冷过程优化

采用一种改进的多目标遗传算法对二冷工艺进行优化.改进的多目标遗传算法应用概率法选取选择算子，根据适应度值来动态计算交叉和变异概率，能够得到更好的全局最优解，提高算法精度和整体性能.在基于凝固传热模型的二冷优化过程中，采用变间距差分法离散求解传热方程，对比粒子群算法、多目标遗传算法，改进的多目标遗传算法搜索效率高，得到的价值函数最小.在实际生产中，采用优化后的二冷工艺，使得总用水量减少约10%，提高了铸坯质量，达到了节能降耗的要求.     

梯形微通道气液分相强化换热实验研究

针对微通道换热器强化沸腾换热,提出分段式梯形换热结构,该结构可实现气泡在表面张力驱动下间断性流向通道两侧,保持中间加热区为液体,实现气液分相流动,进而强化沸腾换热性能。采用无水乙醇为工质,实验研究直肋和梯形结构铜基表面在热流密度为160~320 kW/m²和工质流量为0.4~2.0 g/s时壁温、换热系数等参数变化规律。结果表明：在饱和沸腾区,梯形分相结构可有效实现气液分离,进而降低壁面温度,大幅提高换热系数；如在25 mm位置处,5段结构换热系数比平行结构换热系数提高了60.4%；在单相加热区,换热面积为主要影响因素,直肋结构换热系数略大,但换热系数比饱和沸腾时小一个数量级。平均换热系数分析得到5段结构微通道比平行结构微通道提高了53.8%,可见分段式结构可实现气液分相流动,有效提高沸腾换热的平均换热系数,增强整体换热能力。     

蒸汽-兰炭传热及余热回收特性

为了提高兰炭余热回收效率,建立了蒸汽-兰炭三维非稳态传热模型,对单颗粒传热机理进行了分析,并研究了兰炭粒径、料层厚度和蒸汽流量对蒸汽-兰炭传热及余热回收特性的影响。通过搭建蒸汽-兰炭换热实验台对所建传热模型进行验证,计算结果与实验结果具有良好的一致性。结果表明:对于单颗粒传热,中层颗粒和顶层颗粒热流量均是随着换热时间先增加后减小,具有相似的变化规律,而底层颗粒热流量的变化规律不同于中层颗粒和顶层颗粒热流量的变化规律,底层颗粒热流量是随着换热时间逐渐减小最后趋于0。蒸汽-兰炭换热初期热交换剧烈,料床整体平均温度下降较快,热回收量显著增加。热回收量随着兰炭粒径的增大逐渐减小,随着料层厚度的增加几乎呈线性增加,随着蒸汽流量的增大先逐渐增大后趋于稳定,在保证余热回收量最大的情况下蒸汽的最佳流量为9.0 kg/h。     

空间同位素热源故障再入极端环境条件分析

空间核动力源是支撑人类探索宇宙空间的关键技术,但安全问题始终是空间核动力源设计和应用的重要部分。文章以我国未来月球探测任务为背景,针对可能发生的典型的事故场景,建立三自由度动力学模型,并引入基于化学非平衡方程、完全气体方程的计算流体力学方法,开展空间同位素热源故障再入情况下的极端环境条件分析,分析空间同位素热源故障再入情况下气动力/热环境、海平面高度飞行速度和弹道倾角等极端环境条件。研究结果表明：同位素热源阻力系数为1.6左右,无量纲纵向压心系数约为0.5,再入过程0攻角驻点热流密度峰值约为8.1 MW/m²,总加热量约为101.55 MJ/m²；从80 km开始经178.3 s到达海平面高度,此时同位素热源的飞行速度为86.5 m/s,弹道倾角为-89.9°。     

基于分形的多孔介质复合相变材料的储热特性

本文利用膨胀石墨和纳米颗粒来强化相变储热系统的传热性能。在膨胀石墨基体中填充含纳米颗粒的相变材料，用焓-孔隙度法模拟材料的相变过程。针对不规则的膨胀石墨孔隙结构，用三维W-M分形函数修正膨胀石墨孔隙率波动，以研究不同的孔隙率和有效导热系数比对固态显热蓄热阶段相变材料熔融速率的影响。在液态显热蓄热阶段时探讨膨胀石墨孔隙率以及纳米颗粒体积分数对相变储热系统中对流传热的影响。研究结果表明，分形分布的孔隙结构能有效地抑制纳米颗粒的自由运动从而降低了纳米颗粒的局部团聚的可能性，所以利用三维W-M分形函数修正的膨胀石墨比采用平均孔隙率能更好地模拟相变材料的熔融速率。在固态显热蓄热阶段，膨胀石墨孔隙率为0.8的相变材料熔融速率比孔隙率为0.85和0.9显著增加，另外，膨胀石墨与纳米颗粒-相变材料的有效导热系数比为100的熔融速率也明显比有效导热系数比为80和60的快。当相变材料处于液态显热蓄热阶段时，其在膨胀石墨孔隙中产生对流，对流传热速率随着膨胀石墨的孔隙率增大而增大，纳米颗粒体积分数的增加也会提高对流传热速率。     

井筒内超临界多元热流体注入过程的数值模拟

在稠油热采过程中,提高注入工质的流动参数可显著增加采收率。为评价超临界多元热流体注入井筒后的流动传热特性,建立了相应的计算模型,得到了井底温度、压力与沿程热损失随注入流量、井口温度及井口压力的变化规律,并与注入超临界蒸汽情况下的流动传热规律进行了比较。结果表明,井底参数与注入流量呈单调关系;井底压力与井口温度、压力亦呈单调关系;而其他井口、井底参数的组合呈现出复杂关系。相同井口压力条件下,为使井底参数达到超临界状态,超临界多元热流体的井口温度和注入量高于注入超临界蒸汽的情况。适当选取较低的井口压力,可以减少热损失,提高经济性。所得结果可为注入工质参数的选取提供参考,进而为海洋稠油开发中的能源与动力保障的研究及设计明确需求。     

基于COMSOL软件的深埋地下工程围护结构热湿耦合传递模拟

围护结构内的热湿耦合传递是影响地下工程热湿负荷的重要因素,为了研究深埋地下工程中围护结构的热湿行为,通过建立热湿耦合传递模型,以两种衬砌结构为研究对象。在进行热湿传递模拟时,为体现含湿量对材料导热性能和传湿性能的影响,模型中将建筑材料的各项参数均表示为含湿量的函数。利用COMSOL Multiphysics的偏微分方程接口,模拟围护结构的热湿吸放过程,并比较两种衬砌结构的热湿传递规律。模拟结果表明:围护结构的热湿负荷变化略滞后于工程内部空气的温湿度的变化过程;离壁式衬砌结构的热负荷远小于贴壁式衬砌结构;离壁式衬砌中的空气夹层能有效增加围护结构的热阻,但是会降低围护结构的传湿阻力;离壁式衬砌结构和室内空气的传湿量略小于贴壁式衬砌结构,两者相差大约30%;离壁式衬砌更能够减小深埋地下工程的热湿负荷,降低工程能耗水平。     

收缩式角孔通道对板式换热器流动均匀性的影响

针对传统板式换热器流道之间流量分配不均的问题,提出新型收缩式角孔通道结构。按照收缩式角孔所处位置的不同,建立入口设置、出口设置、入口和出口同时设置收缩式角孔通道的板式换热器物理模型;通过全三维数值模拟,以水为流动介质,研究具有收缩式角孔通道结构的板式换热器流量分布特性和流动均匀性;利用相对标准差对板式换热器整体流动均匀性进行评价。结果表明:传统板式换热器入口角孔通道末端存在涡流区,通过入口设置收缩式角孔通道结构有效避免了涡流区的产生,使得流场分布均匀;与传统板式换热器相比,入口设置收缩式角孔通道的板式换热器相对标准差减小16.7%～28.7%,并且随流量变化稳定。