基于工质物性的热力循环性能探索

工质作为热力循环实现能量转换不可或缺的载体,其物性直接决定了循环性能的高低.为探究工质物性对热力循环的性能影响,首先采用立方型状态方程计算了实际工质的剩余性质,并根据理想气体的热力性质推导了任意状态下工质的热力学参数,进而得到了等容过程、等压过程、等温过程及绝热过程中能量的表达式.在此基础上,针对4个动力正循环,即卡诺循环、朗肯循环、布雷顿循环及斯特林循环,分别推导了循环输出功及效率的表达式,分析了循环性能与温度、工质物性之间的关系.针对工程应用中热力循环完善度偏低的问题,基于状态方程及循环温熵图探索了面向工质特性的热力循环性能极限,为热力循环的实际运行及优化设计提供了理论参考.     

不同热源条件下亚临界ORC与跨临界ORC热经济性能的比较

以系统净功、系统效率及系统平均电力生产成本为性能评价指标,首先基于性能寻优原则,对满足夹点温差要求的跨临界ORC(organic Rankine cycle)中膨胀机进口温度和压力进行分析和确定,然后基于固定的烟气出口温度,对不同烟气进口温度下以R601为工质的亚临界有机朗肯循环(亚临界ORC)和以R134a为工质的跨临界有机朗肯循环(跨临界ORC)的热经济性能进行比较研究.结果表明:当跨临界ORC蒸发器夹点温差位于工质进出口之间时,满足夹点温差要求的膨胀机进口压力越小越好;当跨临界ORC蒸发器夹点温差位于工质出口处时,存在最佳膨胀机进口压力.无论对亚临界ORC还是跨临界ORC,随着热源温度的升高,系统净输出功均升高,系统平均电力生产成本均降低;对于亚临界ORC,系统效率随热源温度的升高单调增加,而对于跨临界ORC,系统效率随热源温度的升高先增加后减小(或保持不变).此外,对于系统净功及系统效率,存在一个热源温度区间,使跨临界ORC优于亚临界ORC,并且随着夹点温差的增大,该热源温度区间扩大;对于系统平均电力生产成本,亚临界ORC始终优于跨临界ORC.     

通道结构强化微通道流动沸腾流动与传热

开展了R134a/R245fa非共沸混合工质及其纯组分工质在不同通道结构的平行微通道内流动沸腾特性的探索性工作.提出了具有内部连通区域的分隔型微通道结构,重点探讨了通道结构对流动沸腾传热特性与压降特性的影响.研究结果表明,与连续型微通道相比,纯组分工质在分隔型微通道中的流动沸腾传热效果略有增强,但非共沸混合工质却略有减弱.无论纯组分工质还是非共沸混合工质,分隔型微通道内部连通区域的存在对于延迟传热恶化的出现、提高流动沸腾CHF均有所帮助.此外,分隔型微通道可以显著降低非共沸混合工质及其纯组分工质流动沸腾过程中的压降,且工质的液-气密度比越小,内部连通区域对压降的改善效果越明显.     

电动汽车热泵全生命周期气候性能评估模型与环保制冷剂减排分析

为满足我国“双碳”(碳达峰、碳中和)目标和《<蒙特利尔议定书>基加利修正案》的要求,采用低全球变暖潜能值(global warming potential, GWP)的热泵系统有助于从直接和间接两个方面全面减少新能源汽车碳排放.然而,目前对于采用何种低GWP工质尚无定论,几乎所有研究仅仅采用GWP值来衡量制冷剂的环保性能,对低GWP工质热泵系统全生命周期气候性能(life cycle climate performance, LCCP)的认识明显不足,同时也缺少适用于新能源汽车热泵的LCCP评估模型.为此,本文基于7个城市的气候数据、当地供电特性、真实世界驾驶循环、乘员舱冷热负荷与舒适性、热泵系统台架测试等,新开发了适用于电动汽车热泵的完整LCCP模型.基于该模型,对传统高GWP工质R134a和R410A、低GWP工质CO₂,以及先前开发的新型高效环保工质CO₂/R41(GWP为49)、M2(非共沸混合物, GWP为137)在电动汽车热泵中的全生命周期环境影响作了评估.结果表明,建立的LCCP模型对热泵系统性能系数(coeffic...     

Ⅱ—Ⅵ族宽禁带ZnS/ZnSe应变层超晶格瞬态激子复合发光特性

半导体超品格和量子阱结构形成了载流子的准二维体系,特别是正方向势阱压缩效应增强了电子-空穴间库仑相互作用,使得二维激子束缚能较三维激子束缚能增大,从而使二维激子跃迁强度和吸收强度迅速增加,使得激子效应在量子阱光跃迁过程中起着比三维体系更重     

微尺度下台阶结构对气泡的约束作用及临界失效体积

利用微气泡的特殊性能的微流体器件因其独特的优势而受到越来越多的关注,其中很多情况下,器件功能的实现要求气泡必须被约束住从而可控地生长或收缩.表面张力是微尺度下一种造成气泡偏移的重要因素,对台阶结构阻碍气泡因表面张力而发生偏移的作用进行了研究.制作了底部布置有电极的台阶试件,并进行了水中电解的实验,观察了微气泡的生长过程.实验观察证实了台阶的约束效果,同时也发现了约束失效的现象.在数值模拟和分析的基础上提出了台阶约束的临界失效体积,并针对二维气泡模型给出了临界体积的解析解.使用台阶结构可以通过设计合理的台阶高度来简便地实现对所需体积的气泡的约束.     

三维后体/尾喷管一体化构型优化设计及性能分析

针对高超声速飞行器后体/尾喷管一体化构型,以飞行马赫数6.5,飞行高度25km为设计条件,综合使用二维型线优化和三维关键参数优化,对构型的升/推力性能进行了优化设计.首先基于二维型线,采用三次B样条曲线对上膨胀面型线进行参数化,计算流体动力学(CFD)进行性能评估,序列二次规划(SQP)方法作为优化方法,建立了优化设计流程,在优化迭代中利用局部网格重构技术提高计算效率.在二维优化的基础上设计了三维后体/尾喷管一体化构型,获得了下膨胀面/后体长度比l/L、下膨胀面倾角ω、出口高度/后体长度比H/L及等关键参数对一体化构型升力、推力等性能参数的影响规律.研究发现在此条件下,当l/L=1/6,H/L=0.35,ω=10°时,后体/尾喷管一体化构型的综合性能最优.此外,加装侧板可以有效防止侧向的高压泄露,有助于提升飞行器的升力和推力性能.     

六甲基二硅氧烷作为有机朗肯循环工质的热稳定性和材料相容性

针对可再生能源和工业余热资源,有机朗肯循环是非常有潜力的热电转换技术之一,而中高温有机朗肯循环由于自身的高效率等优点受到广泛关注.硅氧烷类工质具有高临界点、低可燃性、低毒性等优势,是中高温有机朗肯循环最为适合的工质之一.在中高温条件下,热稳定性和材料相容性是工质筛选需要首先考虑的物性条件.本文对典型硅氧烷类工质六甲基二硅氧烷(hexamethyldisiloxane, MM)的热稳定性和材料相容性进行实验研究.设计实验方法和装置,明确了液态产物是MM热分解产物的主要成分,并分析了MM热分解主要的反应途径;对220～300℃下MM的热分解率进行测量,获得MM热分解的基础物性数据,发现MM在240℃时就已经能发生明显的热分解现象.通过实验确认了空气会改变MM的热分解机理,同时会造成热分解率的上升.此外,实验获取了MM在中高温工况下与金属材料的相容性实验数据.结果表明,铜材料试件的拉伸强度下降了0.54%,而304不锈钢试件未有明显变化,因此304不锈钢在与MM的材料相容性方面优于铜材料.同时,在相同条件下比较了MM和正戊烷的材料相容性数据.正戊烷实验中铜材料试件的拉伸强度下降了2.27%,...     

二维材料气体分离膜及其应用研究进展

二维材料气体分离膜由于其独特的分子输运特性,在渗透率、选择性方面表现出优于传统薄膜的优势,具有巨大的发展潜力.石墨烯类、二维金属有机骨架、二维过渡金属碳化物/碳氮化物等二维材料中存在的亚纳米尺度空间为分子输运提供了特殊的通道,包括纳米孔和纳米通道,它们是高渗透性和高选择性分子筛选的根本原因.然而,二维材料薄膜在复杂工业环境中的不稳定性、难以进行大面积制备等使其实际应用受到了很大的局限,目前二维材料膜尚未大规模应用于工业生产中.本文选择性地对当前研究的热点二维材料气体分离膜研究现状进行总结,同时对其在CO₂捕获和分离、H₂分离和提纯、天然气提氦等领域的具体应用进行阐述,并且探讨了二维材料气体分离膜当前所面临的挑战与未来发展前景.     

三维声学超材料的高阶拓扑态

位于"边缘的边缘"上的高阶拓扑态的发现为限制和控制光波、声波以及弹性波的传输提供了一种新思路.目前,高阶拓扑态已在二维的机械、电磁、光学、声学和弹性系统中得以实现.然而,三维声学系统中对高阶拓扑态的研究却鲜有报道.本研究针对这一现象提出了一种具有一阶表面态和二阶铰链态的三维声学超材料.该三维声学超材料可以在其布里渊区的K-H方向上形成二重简并的交线.改变超材料单胞内外耦合强度的相对大小,线性简并交线打开形成完全带隙,生成平庸型和拓扑非平庸型声学超材料.能带结构、特征频率及传输效率的分析结果表明,当内耦合强度小于外耦合强度时,带隙范围内声学超材料具有拓扑非平庸的一阶表面态和二阶铰链态;当内耦合强度大于外耦合强度时,带隙范围内声波将无法在声学超材料的任何部位传播,该声学超材料是平庸的.三维声学超材料高阶拓扑态的实现突破了二维系统的局限,在声波能量回收和高精度声传感器方面具有潜在应用前景.     

单分子病毒三维可控操作方法

单个病毒的三维操作对自下而上开展单分子尺度的细胞免疫学研究具有重要的意义,然而受操作工具及操作方法的限制,该问题一直未能得到很好的解决.以基于原子力显微镜的纳米操作机器人为基础,开展了针对单个病毒分子的三维操作研究,具体包括:高均匀分散性病毒样品制备方法,基于局部扫描的病毒三维操作结果实时检测策略,以及微观尺度下病毒三维空间的定点放置实现.实验结果表明,本文提出的操作方法与技巧,不仅能够实现单个病毒分子在三维空间内的可控定点拾取与释放,还可与二维操作方法相结合,构建出全病毒分子的三维纳米结构,实验结果验证了所提方法的正确性和有效性,从而为自下而上的细胞免疫学开展提供了可行的技术途径.     

克劳修斯熵表达式适用于实际气体的分子动力学验证

克劳修斯熵是热力学的核心概念.然而,克劳修斯熵表达式的引入是基于理想气体假定的,因此有必要论证克劳修斯熵表达式在实际气体中的适用性.通过回顾,我们发现已有的证明方法都是需借助两种工质循环的间接论证.本文通过分子动力学模拟了氩工质和二氧化碳工质在不同高压下的加热过程和可逆热力学循环,直接验证了克劳修斯熵表达式在实际气体中的适用性.在验证过程中发现,正是由于实际气体热力学过程中存在分子动能和势能之间的转换,才导致其热力学参数间的关系不同于理想气体,但是由于这种转化发生在系统的内部,克劳修斯熵表达式是不变的.     

单/双壁碳纳米管-层状金属氧化物片层交织结构的三维纳米复合材料

将一维的碳纳米管与二维的片层材料组合形成多级有序的三维纳米结构材料, 可获得许多奇特的新性能. 目前将碳纳米管分散在基体中形成了多种复合材料, 发现其力学、电学、磁学、热学以及输运性能都呈现了显著的增强, 但是在基体中均匀地分散碳纳米管往往是材料组装过程中的核心问题. 发展有效可控的一维/二维材料有序组装方法是获得高性能材料的关键. 碳纳米管生长结束后, 在表面活性剂、生物大分子辅助下超声、剪切、搅拌等是其分散常用的方法. 如果能利用碳纳米管生长过程中借助特殊结构的催化剂及工艺对碳纳米管的排列及分散进行原位控制, 这样就有望一步获得碳纳米管高度分散、多级有序、高性能的三维纳米复合材料. .....     

规则波在岛礁地形上传播的SPH模拟

结合周期性边界条件、水流循环技术以及动量源造波方法,本文建立了一个基于光滑粒子流体动力学(smoothed particle hydrodynamic,SPH)方法的二维无反射数值波浪水槽,模拟了波浪在深海台礁上的传播变形过程,分析了该地形上波高和增水的沿程变化,并与物理模型试验结果进行了对比.结果表明,该数值模型可以较准确地模拟深海台礁上的波浪破碎和增水过程以及礁坪上波高和波浪增水的空间分布特征;在水槽左右两侧采用周期性边界条件和预留水流循环通道,能够有效解决竖向二维数值模型中由于礁坪上波生流引起的潟湖内水面的非物理性雍高及进而导致的礁坪上增水偏大的问题.     

二维材料功能化隔膜在锂电池中的应用

功能化隔膜对于锂二次电池的安全性能和电化学性能有着重要影响.相比于其他改性传统聚烯烃隔膜的材料,二维材料具有超薄的片层结构、高机械强度、高比面积以及可调的表面化学性质等优势.本文综述了不同类型二维材料功能化隔膜在解决锂硫电池中多硫化物的穿梭效应、锂金属电池中负极枝晶生长问题,以及锂离子电池中传统聚烯烃隔膜润湿性和热稳定...     

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.     

老化过程对大气黑碳颗粒物性质及其气候效应的影响

黑碳颗粒物是人类活动排放到大气中的重要温室物种,但对其气候效应的认知仍然存在很大的不确定性.老化过程对黑碳颗粒物性质的改变,是造成这种不确定性的重要来源.针对黑碳老化这一研究热点,本文综述了国内外基于实验室和外场研究的进展,从影响黑碳微观性质的角度出发,总结梳理了老化过程对黑碳混合态,包括形貌和化学组分的影响,并在此基础上,探讨了与气候效应相关的黑碳颗粒物的吸光性、吸湿性、云凝结核与冰核活性在老化过程中的变化.伴随着老化过程的进行,黑碳颗粒物由初始的外混态向内混态转变,形貌由枝杈状结构经填充-塌缩-持续被包裹的过程逐渐演变成近似球形的核壳结构.黑碳颗粒物中的化学组分在排放初期会受到共同排放组分的影响,并在老化过程中表现出二次组分增加的趋势.由于包裹物在黑碳外层的累积,老化过程会导致黑碳颗粒物吸光性的增强,但增强倍数受到包裹物厚度、形貌和化学组分的共同影响.并且,在讨论颗粒物群体的吸光增强倍数时,黑碳颗粒物之间混合态的非均一性也需要纳入考虑.老化过程会增强黑碳颗粒物的吸湿性与云凝结核活性,这与包裹物本身的性质密切相关,但相关的外场研究还十分缺乏.针对黑碳颗粒物是否具有冰核活性以及老化过程...     

一种简便高效的材料三维组织及其演变的Monte Carlo仿真

建立了一种新的材料三维组织及其演变的Ｍｏｎｔｅ Ｃａｒｌｏ仿真方法。算法构造简便,使用灵活,不仅能够准确地反映三维正常晶粒篚的动力学过程,而且可以明显提高模拟效率,仿真既能可靠地应用于材料组织及其演变的定量分析,又可方便地用于立体材料水平截面、窨任意角度截面显微组织及其演变过程的观察、三维系统和二维截面组织表征参量及其对应关系的测定等多个方面。     

热驱动深度制冷循环

吸收制冷循环能利用低品位热能, 例如太阳能、地热和废热等, 具有节能和环保等一系列优点, 有着十分宽广的发展前景. 然而, 传统吸收制冷循环无法获得低的制冷温度, 这一缺陷极大地限制了吸收制冷的应用范围. 为此, 本文研究了一个综合有吸收制冷循环和压缩式自行复叠循环优点的新吸收制冷循环, 以期达到利用低品位热能获得低温的目的, 该循环采用R23 + R134a/DMF工质对. 通过新循环数学物理模型的计算表明, 在160℃发生温度下, 新循环可以获得约-62℃的制冷温度, 远低于传统基本吸收制冷循环所能获得的制冷温度. 同时, 在157℃发生温度下, 新吸收制冷系统获得了-47.3℃制冷温度, 为吸收制冷循环迄今为止获得的最低制冷温度. 理论和实验结果都证明了采用自行复叠原理的新循环能够利用低品位热能获得低的制冷温度. 新吸收制冷循环也可以为其他形式热驱动深度制冷方法提供有益的参考.     

胶体晶体制备与应用研究进展

不同于由分子、原子或离子所形成的晶体,胶体晶体是由单分散的微米或亚微米胶体颗粒组装形成的二维或三维有序阵列结构.与通常晶体相比,胶体晶体中占据每一个晶格点的是单分散的胶体粒子.由于具有特殊的周期性晶格结构和光学、模板等性能使其在制备三维有序大孔材料、光子晶体和传感器等领域有着重要的应用价值,受到科学界和工业界的广泛重视.本文综述了近几年来在胶体晶体制备和应用领域研究的最新进展,包括单分散胶体颗粒的制备及功能化、不同类型胶体晶体的自组装制备和图案化、以及胶体晶体在构筑晶体结构模型、二维有序微结构、三维有序大孔材料、光子晶体、传感器和仿生材料等领域的应用,并对其未来研究发展的方向进行了展望.