小尺度庚烷池火燃烧速率实验研究

对小尺度庚烷薄油池火燃烧速率特性进行实验研究. 测量了不同直径庚烷油池火焰高度、燃烧速率以及燃油温度随时间变化规律, 计算了燃烧过程中燃油的液面温度和池壁热流密度. 综合油池燃烧现象和各种测量参数提出了小尺度薄油池火的4个典型燃烧阶段, 并探讨了池壁热流密度对油池沸腾燃烧的影响. 结果表明: 油池沸腾燃烧阶段的火焰高度和燃烧速率明显大于准稳态燃烧阶段; 燃油液面温度在油池燃烧初期迅速上升至沸点, 随后基本保持不变; 池壁温度达到并超过燃料的沸点, 从而在油池壁面上发生核态沸腾, 是油池发生沸腾燃烧的条件.     

对流换热过程的广义热阻及其与(火积)耗散的关系

为了更加直观地分析与优化对流换热过程, 引入了多维传热系统的热流加权平均温度和热流加权平均温差的概念, 并定义热流加权平均温差与总热流的比值为传热过程的广义热阻, 提出了优化对流换热过程的最小热阻原理, 分析了对流换热过程的广义热阻与火积耗散之间的关系, 得出了最小热阻原理等价于火积耗散极值原理的结论. 以恒壁温条件下的二维方腔内对流换热过程为例, 研究了该过程的广义热阻, 讨论了最小热阻原理在对流换热过程分析与优化中的适用性.     

基于理论的圆柱体热源构形

基于构形理论和理论,以当量热阻为目标对层流冷却条件下的圆柱体热源进行构形研究,分析热源直径和导热系数对其传热性能的影响.结果表明:在热源体积一定的条件下,不存在最佳热源直径使得其当量热阻取得最小值.随着热源直径的减小、导热系数的增大,热源当量热阻减小,此时热源系统的整体传热性能得到提高.此外,圆柱体热源表面温度沿来流方向逐渐增大,且其表面换热系数沿来流方向逐渐减小.本文所得结果对热源的优化设计有一定的参考价值.     

多蒸发器低温回路热管的启动特性

空间探测技术迅速发展,传统的点对点传热方式不再满足多阵列、大面阵结构探测器的散热需求.本研究通过将3个蒸发器以气耦合的方式并联,设计加工了一种用于多点热源散热的多蒸发器低温回路热管(multi-evaporator loop heat pipe, MeLHP),并进行了样机的启动特性实验研究.实验分别通过与单蒸发器回路热管的比较、不同加热方式的比较以及不同充液率的比较,多方面地探究了MeLHP在降温、启动过程中的特性.实验发现,在保证样机在170 K稳定运行的前提下, MeLHP各个支路均与单蒸发器回路热管的启动特性保持高一致性; MeLHP在单蒸发器加热和多蒸发器共同加热的条件下均能启动,单蒸发器加热过程中未加负载的蒸发器在气耦合作用下分享热量保持各蒸发器温度一致,保证三蒸发器的同时启动;工质的初始分配状态会造成降温过程中各蒸发器温度的差异,气耦合的热交换作用调节了各回路温度的一致性,有效抑制了初始状态对温度的影响;考虑了不同充液率的影响,考察了充液率分别为0.6和0.7条件下的启动特性,发现0.7充液率下MeLHP的启动特性能更好地与0.6充液率条件下的单蒸发器回路热管相一致.实验...     

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/(m²s),热流密度9.95～47.57 kW/m².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Sun&Mishima关联式的预测精度相对最高.     

换热器火积散最小优化

对一类高低温两侧流体之间传热服从牛顿定律[q∝Δ(T)]的两股流换热器进行了研究, 在传热量一定的条件下, 以 耗散最小为优化目标, 利用最优控制理论求出了换热器参数的最优分布, 得出了对应于换热过程 耗散最小时的热流密度为常数的结论. 分析比较了逆流、顺流、凝结流三种形式的换热器, 结果表明采用逆流式换热器可实现换热过程耗散最小. 给出了数值算例, 并与以熵产生最小为目标的优化结果进行了比较.     

导热和自然对流对石蜡定向熔化特性的影响

相变散热器在有效保障功率瞬变、间歇性工作电子器件安全运行方面具有极大潜力.针对现有相变散热器性能亟需进一步提升的问题,本文通过改变加热位置和添加泡沫铜,实验探究了石蜡在导热+自然对流、导热、导热增强+自然对流抑制以及导热增强4种作用条件下的定向熔化特性.研究发现,在导热和自然对流同时作用条件下,石蜡的温度经历缓慢上升、极速上升、缓慢波动和继续上升4个阶段,自然对流的作用可将相变散热器的有限保护时间从导热作用时的483 s延长至4400 s.虽然添加泡沫铜能降低石蜡内部的温度梯度,但会延长自然对流作用的起始时间、缩短作用时长以及削弱作用强度,导致自然对流的作用权重比从8.1降至0.72,有效保护时间仅提升80 s.因此,采用相变材料(phase change material, PCM)散热器冷却低热流密度的电子器件时,应优先强化工质熔化过程中的自然对流,随着热流密度的增加,再逐渐强化其导热性能.     

传热学中的状态图及其应用

鉴于热力学状态图能够直观分析热力循环的性能,提出热流是热量运动的状态量,明确了相应的热量运动状态方程,并引入传热学中的二维状态图:T-q图,它可以从传热过程不可逆性的角度直观分析传热过程的性能,便于换热设备及其系统的优化分析和工程设计.利用传热学中的状态图,分析换热器可以直观得出换热面积、流体热容量流和流动形式对其传热性能的影响;分析集中供暖系统中的换热器网络可以方便得出:当每条支路的总换热量以及室内空气温度都相等时每条支路所需的总换热面积、热水流量以及回水温度都相等,但当各支路中的室内空气温度不一致时,经过换热支路后的热水温度并不相同,这就意味着等温回水混合过程并非获得最优供热管网设计的必需条件.     

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.     

金属纳米薄膜中稳态非傅里叶导热的实验

作为传热学理论的基本规律,傅里叶定律对于常规条件下的导热都是适用的.针对瞬态条件下的热波现象和非傅里叶导热已有不少理论和实验研究.近年来,热质理论指出在低温、极高热流密度的稳态条件下也会出现非傅里叶导热现象,其物理本质是热质惯性力作用不可忽略的体现.利用液氦制冷系统,在低温环境中对大电流加热条件下金属纳米薄膜中的导热过程进行实验研究,实验中可以产生高于1×1010Wm-2的热流密度.通过对不同金属纳米薄膜样品的重复测量,结果显示金属纳米薄膜平均温度明显高于傅里叶定律的预测值,并且温差随着热流密度的增加、环境温度的减小而逐渐增加,表明非傅里叶导热现象的存在,同热质理论的预测规律一致.     

层级仿生微阵列的制备及黏附性能

采用电火花穿孔技术,制备了直径0.5mm、倾斜度为75°的大孔铜基阴型模板,利用氢硅烷型硅橡胶浇注该模板,得到大直径倾斜阵列,作为一级结构刚毛阵列.接着,采用等离子刻蚀技术制备了3种不同结构(Φ=15,10,5μm)的单晶硅基阴型模板,真空下氢硅烷型硅橡胶浇注,得到3种精细微阵列,作为二级结构刚毛阵列.最后,利用烯硅烷型硅橡胶进行硅氢化反应将二级微阵列键合在一级阵列的支杆末端,得到3种层级刚毛阵列.利用高灵敏力传感器测试了3种层级刚毛阵列的法向、切向黏附性能.结果表明:3种层级刚毛阵列的切向滑动黏附力均随滑移距离先增后减,呈现了各向异性的黏附特性;不同二级结构刚毛阵列的切向、法向黏附强度与其二级阵列的直径、密度密切相关.     

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.     

不同蒸发器结构的超薄平板环路热管的传热性能的差异化

开发设计了两款无毛细结构的超薄型(1.5 mm厚)铜-水平板环路热管,并对其多方位下热传输性能进行实验研究.对比分析了两种蒸发器结构的热管在不同角度下的启动能力和运行特性,且探究了蒸发器结构对于超薄环路热管运行稳定性的影响,以及热管性能在多方位条件下的差异.实验表明两种结构热管均能满足多方位工作的要求,具有抗重力特性,其中平行四边形的结构设计有助于抑制流动不稳定,抗重力性能更优,不仅能够在15°时启动,而且不同角度下热传输性能的差异仅为4%.     

异丙醇-丙酮-氢气化学热泵放热反应器内丙酮催化加氢:颗粒内热质传递的影响

颗粒内传热传质对IAH-CHP固定床放热反应器性能具有重要影响.本文建立了管径和催化剂颗粒直径之比n=4的圆柱形放热反应器120°的三维局部模型,使用Fluent商业软件对模型内流场、组分和温度分布进行了模拟研究.重点研究了颗粒内传热传质特性对组分分布、温度分布、异丙醇产量及选择性的影响,并给出了最优的催化剂颗粒直径dp和催化剂内部微孔直径d0值.模拟结果表明,颗粒内温度分布较均匀,对反应影响不明显;大的dp值和小的d0值会显著增大催化剂颗粒内部的反应物浓度和反应速率梯度,降低催化剂的使用效率,降低异丙醇选择性.优化模拟结果说明,对于丙酮高温加氢放热反应,球形催化剂颗粒应选择催化剂颗粒直径1 mm,微孔直径10 nm.     

深海分层介质中的无源声定位时差交会特性

利用无源声信号的到达时差对目标入水点进行定位在浅海中已有成功应用,但在深海条件下因测量区域变大、声传播路径弯曲、测量条件受限等因素,定位性能不确定度增加.针对这一问题,建立基于水平分层介质假设的多基站时差定位模型,对比了等声速介质信道与水平分层介质信道定位求解的性能差异,并结合西北太平洋夏季环境条件下的仿真算例对模型进行了验证.研究揭示了有明显等效声速差异条件下的深海时差交会变异性特征,当两基站的等效声速相接近时,等时差线趋于标准双曲线样式;当两基站的等效声速相差较大时,等时差线呈现不规则分布,一侧趋于闭合,另一侧趋于平行,且多个基站等时差线均位于闭合一侧时,定位性能明显下降.在测量系统论证和设计时应充分考虑时差交会特性,结合具体海区环境条件合理选取基阵构型和布设深度.     

应用于深井脉冲源装备的有序堆积相变胶囊热防护数值研究

针对深井恶劣环境下脉冲功率源装备内电子元件的热防护问题,本文利用数值方法对比了多种有序堆积相变胶囊复合结构的热防护性能,探究了相变胶囊尺寸、堆积方式等对热防护性能的影响,提出了热流密度评价指标与内壁温度数学预测模型.结果表明,相变微胶囊-玻璃棉复合结构具有较好的热防护性能,内壁温上升速率相较于玻璃棉填充结构可降低13.8%,但相变材料的含量制约着热防护效果;使用大尺寸的相变胶囊,增大相变材料比例的同时可形成封闭气孔,相比于相变微胶囊-玻璃棉复合结构,内壁温升幅度进一步降低了19.3%.通过改善相变胶囊堆积结构,发现采用大尺寸相变胶囊单层阵列结构的热防护性能更优.最后,提出了相变胶囊单层阵列热防护结构下内壁温升预测公式,预测值与数值模拟结果的平均误差低于7%.     

部分压扁槽道热管实验研究

针对11种不同压扁形式的小型轴向槽道热管进行实验研究, 分析了压扁形式、压扁厚度和工作温度对轴向温度分布、热阻、极限传输功率以及蒸发段和冷凝段的相变换热系数的影响. 实验研究表明, 各种形式的槽道热管在正常工况下, 均可以保持良好的等温性. 热管的几何结构对极限传输功率的影响较明显. 对于蒸发段2 mm厚的热管, 冷凝段厚度从2 mm增加到3 mm, 极限传输功率增加81%; 而对于蒸发段厚度为3 mm的热管, 冷凝段厚度从2 mm增加到3 mm, 极限传输功率增加134%. 对于冷凝段4 mm厚的热管, 蒸发段厚度从2 mm增加到3 mm, 极限传输功率增加26%. 蒸发段厚度每增加1 mm, 极限传输功率增加9%~26%, 而冷凝段厚度每增加1 mm, 极限传输功率增加20%~86%. 冷凝段厚度对热管传热性能的影响要比蒸发段厚度大. 本文的研究内容对了解槽道热管传热性能及电子热设计过程将会有所帮助.     

开口热力学系统的(火积)分析

(火积)是近年提出以描述热量传递能力的物理量.将(火积)的概念拓展应用于涉及做功的开口热力学过程的分析.定义了焓(火积)的概念,基于该定义发展了开口系统的(火积)平衡方程,并给出了开口热力学系统中的"(火积)损失"的概念.应用(火积)平衡方程,对空气标准循环进行了分析和讨论.研究表明,当工质吸收的热量来自燃料燃烧反应时,(火积)损失速率可以描述循环净输出功率的变化;当工质吸收的热量来自高温热流体加热时,则系统的最大(火积)损失速率和最小熵产速率均对应于循环的最大输出功率.因此,(火积)损失是一个可以描述空气标准循环性能的参数.     

ABC三嵌段共聚物在受限孔道中自组装行为的Monte Carlo模拟

采用Monte Carlo模拟方法研究了在本体条件下形成四角排列柱状相的ABC线型三嵌段共聚物在受限孔道中的自组装行为.模拟结果表明共聚物的自组装结构依赖受限孔道的尺寸.在尺寸较大的孔道中,自组装结构与体系的初始态无关,表现出单一的套索结构;而在尺寸较小的孔道中,自组装结构与体系的初始态有关,表现出双螺旋、平行柱、堆积盘等结构.进一步研究结果表明,当孔道直径与体系在本体条件下的平衡周期不匹配时,体系相互作用能密度高的结构出现的概率高;而二者相匹配时,相互作用能密度高的结构出现的概率低.此外,对同一螺旋结构的统计分析表明,随着孔道尺寸的增加,体系中高分子链的均方末端距也随之增加,并且高分子链在圆柱孔道中由小孔道尺寸下沿垂直圆柱长轴方向排列逐渐转变为大孔道尺寸下沿圆柱长轴方向排列.     

高含硫天然气输送管道内硫沉积研究进展

高含硫天然气在管道输送过程中,随着压力、温度和气质组分等条件的变化,气相中发生过饱和溶解析出的硫分子会逐渐形核、生长成为固体硫颗粒随气流一起在管道内运移,并会沉积在管道内壁.管内沉积的硫颗粒将会堵塞和腐蚀管道,严重威胁高含硫天然气管道的输送安全.本文针对高含硫天然气输送管道内硫沉积问题,综述了近年来高含硫天然气中元素硫气固相平衡计算、硫颗粒生长动力学、含硫颗粒的气固两相管道输送方面的研究进展.指出在高含硫天然气集输过程中硫沉积预测及防治方面应坚持实验与理论相结合的研究手段,着重开展以下3个方面的研究:(1)充分考虑集输压力、温度条件下(P≤15.0 MPa,T≤333.15 K)硫溶解度极低的特点,建立硫溶解度测试实验装置,开展集输管道压力、温度范围内的硫溶解度实验研究;(2)采用微观分子动力学模拟与宏观热力学参数统计分析相结合的方法,建立硫颗粒的生长动力学模型,结合结晶动力学理论模型深刻揭示集输条件下硫颗粒的形核、生长与消融动力学规律;(3)综合考虑硫颗粒的生长、消融、运移、沉降规律与管道内压力、温度、气质组分、流速等参数的耦合作用,建立伴随元素硫气固相态变化和硫颗粒生长、消融的气固两相管输模型,定量描述高含硫集输条件下硫颗粒的析出、生长及其与高含硫天然气的气固两相流动规律,最终为集输管道乃至整个集输系统内硫沉积防治方法的确立提供技术与理论支撑.