塔式太阳能熔盐腔体吸热器一体化光热耦合模拟研究

首先采用蒙特卡罗光线追迹与杰勃哈特方法结合的混合光学模拟方法对塔式聚光集热系统中太阳辐射传播的全过程进行了完整描述,准确获得了全镜场条件下吸热表面非均匀的能流分布.在此基础上对熔盐腔体吸热器进行了一体化光热耦合模拟,重点分析了非均匀能流分布条件下熔盐流动布置方式对吸热性能的影响,同时考察了不同时刻条件下的吸热性能,结果表明:腔体吸热器吸热表面的能流分布表现出强烈的非均匀性,在这种非均匀的能流分布条件下,熔盐的流动布置方式会对吸热器性能产生显著的影响.当熔盐从能量密度高的区域流入,温度迅速升高,整个吸热面处于较高的温度水平,热损失较大,且会在熔盐出口处会出现熔盐加热吸热管的"吸热恶化"现象;当熔盐从能量密度低的区域流入,温度缓慢升高,整个吸热面处于相对较低的温度水平,热损失较小,能够获得更多的高温熔盐.另外,反射损失随时间变化显著,热损失随时间变化不显著.     

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.     

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.     

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.     

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.     

纳米聚苯乙烯胶乳颗粒的特殊成膜性质

应用多种实验手段对平均粒径29 nm的聚苯乙烯纳米胶乳颗粒成膜过程进行了研究. 样品经不同温度热处理1 h后, 原子力显微镜扫描发现聚苯乙烯颗粒的变形温度约为90℃, 平坦化温度约为 100℃. 90℃以下处理时, DSC扫描在Tg附近有一放热峰, 100℃以上热处理后消失. 固体核磁共振结果也发现在90- 100℃热处理后, 芳香碳和脂肪碳的自旋-晶格弛豫时间发生明显转变. 其密度也在该区间发生突变. 说明纳米尺寸的聚苯乙烯颗粒的凝聚态特征与大粒径(＞1 (m)胶乳或本体聚苯乙烯不同, 从而导致聚合物颗粒在较低温度下即可发生变形和相邻颗粒间的融合.     

基于BGK方法的液滴静态和动态特性

采用BGK方法对液滴在疏水表面上的静态和动态特性进行了研究,通过数值模拟发现对于带有微结构的疏水表面,在保持非浸润状态的基础上,固体面积分数越小(即微结构间距越大),表观接触角越大,表面越疏水,但是较小的固体面积分数会使液滴非浸润状态变得不稳定.当表面具有微-纳二级结构时,不仅会增加表面的疏水性,使液滴具有较大的表观接触角,而且会使液滴的Cassie状态更稳定.当液滴下落到超疏水表面时,数值计算发现液滴将经过多次反弹、变形,最终静止在超疏水表面上,这与实验现象吻合.当相同尺寸的液滴从同一高度下落到具有相同表面自由能的超疏水表面时,与平超疏水表面相比,具有微/纳结构的超疏水表面将增加液滴的反弹高度;对于平超疏水表面,表面自由能越小,液滴的反弹高度越大,因此液滴的反弹高度依赖于液滴在表面的表观接触角.     

ZnO纳米颗粒的自组装及多孔纳米固体的研制

利用溶剂热压方法, 以ZnO纳米颗粒和不同种类的溶剂为原料, 制备了介于纳米粉体和纳米陶瓷体之间的过渡态——体块ZnO多孔纳米固体, 并研究了水热热压条件下ZnO纳米颗粒的自组装行为. 实验结果表明: 当水在ZnO纳米颗粒间分布不均匀时, 在水较多的区域, ZnO纳米颗粒会溶解到高温高压下的水中. 温度升高水汽化并从固体中逸出时, ZnO纳米颗粒经历自组装过程而形成一些“纳米花朵”(nanoflowers), 并且这种自组装行为对于样品的光致发光性质有很大影响; 相反, 如果水在纳米颗粒之间均匀分布, 则可以得到ZnO多孔纳米固体, 而且其孔径比较均匀. 另外, 实验结果还表明, 通过改变溶剂的种类、热压温度和压力, 可以在一定程度上控制ZnO多孔纳米固体的孔径及孔容. 热分析结果显示, 这样制备的ZnO多孔纳米固体具有较高的热稳定性.     

植物与粉尘的关系

据媒体报道,山西省太原市因其居高不下的各类污染指数,在世界十大污染城市中排名首位,而在各项污染指数中,首屈一指当数粉尘污染.粉尘是伴随着燃料燃烧或工业生产而产生的固体颗粒,它们悬浮在大气中,大小不一.直径大于10μM的颗粒,因质量较大,能较快地降落到地面,称为降尘,其危害较小.而直径小于10μM的颗粒,因能长时间飘浮在空气中,称为飘尘,它的危害性相对较大,会对呼吸系统造成极大危害.     

R1234yf,R1234ze(z),R32及其混合工质在Co-MOF-74中吸附储能的分子模拟

利用流体分子在纳米多孔材料固体表面吸附分离过程中热能与表面能的相互转化,可以提高工质循环吸热量进行储能.采用分子模拟(分子动力学和巨正则蒙特卡罗)方法开展了制冷剂R1234yf, R1234ze(z), R32及其混合工质在金属有机骨架材料Co-MOF-74中的吸附储能特性研究.研究发现,纯工质吸附时,受分子尺寸影响, R32在MOF中的吸附量高于R1234yf和R1234ze(z).而饱和吸附时, R32的解吸附热低于R1234yf和R1234ze(z).在制冷剂中添加Co-MOF-74纳米颗粒形成纳米流体,可以改良纯工质的储能特性,且R1234yf和R1234ze(z)纳米流体的改良效果强于R32纳米流体.在混合工质吸附中, R1234ze(z)和R1234yf的吸附量低于R32,但随着温度上升,由于不同种类工质竞争吸附, R1234ze(z)和R1234yf的吸附量呈现逐步上升的趋势,而R32的吸附量则逐渐减少.     

从确定性到随机性的黏附接触理论

胶体、药物输运、细胞-病毒等体系中广泛涉及纳米颗粒与弹性固体表面之间的黏附相互作用.本文简要回顾了黏附接触理论的发展历史:已有的确定性黏附接触理论(如JKR,DMT等模型)预测,颗粒在低于临界分离拉力的作用下不会与基底分离,这一结论在颗粒特征尺寸减小到纳米尺度时不再适用.研究表明:当纳米颗粒与固体表面黏附的能量尺度接近环境热噪声的特征能量时,其界面黏附呈现出显著的尺寸效应和由此导致的随机性.基于经典的Kramers理论,建立了统计的黏附接触理论,将纳米颗粒与固体表面的黏附状态演化视为广义扩散过程,并用黏附寿命的概率分布描述黏附界面的相对强弱.两个纳米颗粒同时与弹性固体表面作用时,二者的黏附状态呈现明显的时空关联,可通过改变其中一颗粒的状态,间接调控另一颗粒的黏附寿命.     

开口式行波热声发生器

考虑入射波和反射波, 建立行波热声系统内管末端阻抗与管口阻抗的理论模型, 详细对比管 末端封闭和开口对压力、体积流率、阻抗和声功的影响, 指出开口式行波系统的声场特点. 在此基 础上, 研制了一台开口式低频行波热声发生器, 它由环形圈、开口式谐振管、回热器和冷热端换热 器等元件组成. 以1 bar 空气为工质, 运行频率74 Hz, 在输入热量210 W 时, 管口处声压级达到 133.4 dB, 距离管口0.5 m处声压级为101 dB, 性能已达到低频声源可应用的范围. 随着研究的深入, 出口处声压级可达到150 dB, 有望解决现有低频声波发生器声压低、装置复杂、声学性能重复性差 等问题, 可以为低频远距离噪声实验或者工业声源和振动提供高声强声源.     

太阳能热发电站中熔融盐冻堵管道的熔化过程

熔融盐工质沸点高、低蒸汽压及良好的传热储热特性使塔式电站是最具商业前景的太阳能热发电技术之一.但是熔融盐的凝固点高,导致采用熔融盐作为吸热传热工质的太阳能热发电站中有可能发生熔融盐在管道内凝固,使得冻堵管道的解冻成为一个棘手的问题.在利用电伴热熔化管道内熔融盐的过程中,最关键的问题在于熔融盐的固液相变,本文利用焓法模拟了水平管道内熔融盐的熔化过程,发现由于自然对流的存在使得先熔化的熔融盐聚集到管道的上端.研究发现,电伴热的安装位置影响熔化过程的不均匀性以及管内熔融盐完全熔化所需时间.电伴热功率与完全熔化所需的时间呈非线性关系.随着电伴热功率的逐渐增大,缩短熔融盐完全熔化所需时间的效果减弱.     

聚合物基固体电解质研究进展

聚合物基固体电解质在高能量密度和高安全性固态电池领域具有良好的应用前景.然而,现有的聚合物基固体电解质在应用时仍然面临室温离子电导率低、电解质/电极界面接触差、电化学窗口窄等严峻挑战.本文从聚合物基固体电解质离子电导率的提升和界面性能的改善出发,重点阐述聚合物基固体电解质的发展现状及优化策略.首先,从两个方面总结了聚合物基固体电解质离子电导率的定向优化策略:构建连续、定向取向的离子传输路径和缩短离子传输距离;其次,总结了聚合物基固体电解质/电极之间的界面优化策略:构建润湿界面和制作非对称电解质,以降低电解质/电极的界面电阻,提升电解质/电极的界面相容性;最后,对聚合物基固体电解质和固态电池的发展前景进行了展望,并提出了该领域的重点发展方向以及先进的分析测试方法,为聚合物基固体电解质的研究和发展提供全面的了解和深入的指导.     

颗粒间作用力影响颗粒体系流变性能的研究进展

悬浮颗粒体系在许多工业中都能见到踪影, 比如矿物加工、水和废水处理、陶瓷加工、造纸、食品加工工业等. 对于胶体颗粒悬浮体系, 颗粒间的相互作用力是控制体系的剪切流变性能、密实化性能和沉积性能的关键因素^[1,2]. 当颗粒间的作用力为排斥力时(排斥性颗粒体系), 颗粒不易“抱团”, 颗粒体系在溶液中处于稳定的分散状态. 而由于布朗热运动的作用, 颗粒的沉降速度很小. 不过, 对于这样的体系, 一旦颗粒最终都沉降下来形成颗粒网络就很密实; 而且即使在较低的外压下被压缩, 沉积层也很容易达到较高的固体体积比率(含水量少). 排斥性颗粒体系的黏度很低, 剪切流变抗力很小. 反之, 如果颗粒间的作用力是吸引力(吸引性颗粒体系), 颗粒就极易形成团块. 团块一般包含很多单个颗粒, 质量较大, 因此团块的沉降速度比单个颗粒快得多. 由此形成的颗粒网络的性质完全与排斥性颗粒体系相反: 它的密度低、含水量高, 需要更高的外压力才能密实化; 而且颗粒网络的黏度高, 剪切流变抗力较高^[3].     

一种测量单个纳米颗粒比热的焦耳加热-针尖增强拉曼闪光法

纳米颗粒在复合材料及纳米器件中有广泛的应用,研究单个纳米颗粒的性能对纳米科技的发展有至关重要的作用.然而,受限于传统测量方法的空间分辨率,目前尚未报道有效的测量单个纳米颗粒热物性的方法.本文利用焦耳加热和针尖增强拉曼闪光法,设计了一种测量单个纳米颗粒比热的方法.将单个纳米颗粒放置在基底上,使用镀铂的探针作为加热器和温度探测器,探针接触纳米颗粒,通过稳态方法测量抽真空前后探针在同一温度下不同的发热量,即可通过比较求得纳米颗粒的对流换热系数;通过针尖增强拉曼散射方法,使用激光加热纳米颗粒,可获得纳米颗粒温度随时间变化曲线,结合稳态方法测定的对流换热系数,即可测定纳米颗粒的比热容和激光吸收率.分析可知,1 ns左右的激光脉冲分辨率即可满足常规状况下直径为100 nm的纳米颗粒比热的测量要求.     

柴油机等径颗粒平面碰撞过程凝并特征

针对后燃期柴油机颗粒物的碰撞过程,结合气溶胶颗粒的受力分析和基于弹性形变力、范德华力的非完全弹性碰撞运动方程,探讨了等径颗粒平面非完全弹性碰撞过程的两个特征-压缩、恢复和影响压缩恢复的主要特征参数.进一步研究了入射角、碰撞频率、压缩距离、恢复系数和凝并效率等特征参数相互之间的关系及其在碰撞过程中的作用.研究结果表明,任意粒径下,随着压缩过程的进行,范德华力均增强;对于相同粒径颗粒,在压缩过程中,弹性形变力始终大于范德华力,且两者差距逐渐增大.颗粒粒径分散性越大,颗粒间碰撞频率越大.15,45 nm颗粒分别与50 nm颗粒碰撞频率的比值约为1.9倍.等粒径颗粒碰撞过程中,初始相对速度保持不变时,入射角增大,压缩距离增大,对心碰撞时,压缩距离最宽;相同入射角下,压缩距离随着初始相对速度的增加而逐渐增大.随着恢复系数的增大,临界速度逐渐减小,凝并效率呈逐渐减小趋势.当恢复系数等于0.026时,凝并效率约为50.05%,能够实现较高效的碰撞和较快地促进颗粒凝并,当恢复系数大于0.063时,凝并效率接近于零,极大部分颗粒碰撞之后发生分离,阻碍了颗粒凝并.     

C_(60)固体结构的变温X射线衍射测量

C_(60)由于其奇特的结构和众多奇特的物理化学性质,吸引了人们的极大注意.在C_(60)固体的结构研究过程中,发现了250 K处的一阶相变和90K处的“玻璃态”转变,并对这两个温度处的结构变化作了比较多的研究.但对C_(60)固体在室温以上结构的研究却较少.我们先前的C_(60)单晶的电阻测量,发现了425K处的电阻反常,这说明在室温以上,随着温度的变化,C_(60)固体的结构也许会有所变化,对这些变化的了解,有助于对C_(60)固体结构的进一步了解.本文报道了C_(60)固体室温以上结构的变温X射线测量和C_(60)单晶的电阻测量,实验观测到了C_(60)固体结构变化在450K处的反常.     

气凝胶复合材料中遮光剂及纤维的掺杂方法

二氧化硅气凝胶广泛用于各种航天器、飞行器的热防护中,添加遮光剂或纤维能大大改善其在高温下的隔热性能.本文通过计算辐射特性得到遮光剂和纤维不同温度下的最佳掺杂粒径,在复合材料等效热导率最小时得到最佳掺杂量,并应用优化结果设计了具有温度梯度的多层掺杂方案.研究发现:遮光颗粒和纤维的最佳掺杂直径随温度增加而减小,掺杂量随温度增加而增加,研究的4种遮光剂(碳黑、SiC、ZrO_2和TiO_2)中,碳黑具有最好遮光效果,但高温下会被氧化,SiC在高温下具有较好的遮光效果;石英纤维多层掺杂具有最小有效热导率,碳黑与SiC遮光剂和石英纤维共同掺杂对辐射传热的抑制最强.气凝胶复合材料背温实验结果有效证实了掺杂优化方法的正确性.     

前后排列柔性细丝在黏性流体中自主推进的稳定形态及动力学机制

鱼类集群运动行为蕴含着复杂的水动力学机制.针对一种简化的鱼类集群运动模型,利用浸没边界方法对黏性流体中做自主推进运动的两个前后排列柔性细丝进行数值模拟,对其稳定运动时的排列形态以及相应的涡相互作用模态开展研究.为保证进行长时间的自主推进运动,本文将流体和固体运动方程写在非惯性系下,通过基于投影思想的隐式动量力实现流固耦合,避免了自主推进运动对计算域尺寸要求过大的问题,可以有效节省计算量.通过改变前后细丝的初始水平间距和垂向偏移距离,发现了3种稳定排列形态:远距离前后排列、近距离前后排列和并行排列.对于远距离前后排列形态,后排细丝受垂向偏移距离的影响较小,始终会穿过前排细丝脱落的涡;对于近距离前后排列形态,前排细丝表面的剪切层在脱落成涡之前和后排细丝表面的剪切层合并,脱落成较强的涡,推进速度较快,前后细丝的运动和受力会有一定的相位差;当垂向偏移距离增大,后排细丝受前排细丝的影响减小,最终稳定于并行排列同步运动,上下细丝两侧的同号剪切层合并脱落成较强的涡,但由于迎风面积增大而推进速度变慢.