高温气冷堆氦气透平压气机和主氦风机研究进展

具有固有安全特性的模块式高温气冷堆(high temperature gas-cooled reactor, HTGR)具有反应堆出口温度高的特点,可与闭式Brayton循环或Rankine循环耦合,实现高效率的发电。氦气透平压气机和主氦风机分别是与这2种循环耦合的高温气冷堆系统中的关键动力部件,该文针对氦气闭式Brayton循环,分别从稳态与动态特性2个方面揭示其内部循环机理;同时针对循环内核心部件氦气透平压气机,开展2.2 MW样机研制与120 MW商用氦气透平压气机设计。在主氦风机研制方面,顺利完成了10 MW高温气冷堆(HTR-10)主氦风机研制与高温气冷堆示范电站(HTR-PM)主氦风机研制,获得了主氦风机完整的性能数据。为进一步确保HTR-PM项目的顺利推进,搭建了主氦风机综合试验平台,同时测试了2种主氦风机(电磁轴承主氦风机和干气密封主氦风机)的性能。取得的研究成果体现了清华大学核能与新能源技术研究院在自主研发先进核能核心装备技术上取得了重大突破。     

车用驱动电机冷却系统仿真研究

针对车用驱动电机在提高功率密度过程中的冷却问题,以某型号水冷永磁同步电机为研究对象,建立三维流固耦合传热数值仿真模型,采用有限体积法对电机温度场和水道流场进行求解,并用试验数据对计算结果进行验证。在此基础上,计算不同冷却介质入口温度和流量、介质类型、冷却流道截面形状和圈数下电机内部的流动传热情况,以电机温度场、流道压降等参数作为评价指标对不同条件下的冷却性能进行评价分析。研究结果表明:随着冷却介质入口温度的降低或入口流量的增大,电机各部件的温度显著下降,但增大流量会使泵功指数增加;分别以冷却油、乙二醇水溶液、水作为冷却介质时,相同流量下的散热功率依次增大,而压降则依次降低;机壳上的螺旋形流道圈数越多,散热功率和压降均越大;保持流道截面积不变,改变截面形状对电机温度影响较小,但对压降有较大影响,其影响与换热面积相关。     

自然冷却均温板数值模拟

为实现电子设备无噪声、高均温的温度控制,设计了1种新型自然冷却均温板。在均温板内设置两相流体管路,通过管路中工质的相变换热,强化均温板的传热性能与均温特性。通过经典相变理论并结合流体体积函数方程建立自然冷却均温板的流动与传热模型,计算模拟了均温板内部的工质两相流动、传热以及气液相变的过程。模拟结果显示:均温板主要在重力的作用下运行;在充灌量为70%时,均温板的温差和热阻最小;工质R134a的换热性能明显优于工质R236fa和R245fa。     

三角形变截面流道单相传热与阻力特性的实验研究

设计并搭建了单流道单相传热与流动实验装置,对变截面流道进行了强制对流传热与阻力特性实验研究.通过实验方法比较了不同孔错开间距对变截面流道传热与阻力性能的影响,得到了变截面流道传热因子j、阻力因子f与Re数的关系.实验结果表明:在冷态条件下,不同进口温度对阻力因子的影响很小,这一结论在恒热流密度下同样体现出来;在恒热流密度下,前后排孔镨开间距最大的变截面流道(TC1)阻力较大,但其传热性能最优;传热因子j与阻力因子f随着Re数的增大而减小,随着孔错开间距的增大而增大.     

采用仿秋沙鸭翼型叶片贯流风机的气动性能数值研究

为提高空调性能,满足产品节能要求,本文基于叶片仿生设计及叶轮交错角改良开展贯流风机的优化研究。首先,通过逆向工程方法提取了秋沙鸭翅膀40%翼展截面处的型线特征,结合产品的工艺要求设计了贯流风机仿生叶片;然后,采用三维数值计算模型对带有仿秋沙鸭翼型叶片的贯流风机内部流场进行了数值模拟,研究了具有不同叶轮交错角的仿秋沙鸭翼型叶轮对贯流风机气动性能的影响;最后,选取气动性能最优的叶轮交错角为5°的仿秋沙鸭翼型叶轮进行加工测试。研究结果表明：三维数值计算结果能够有效地揭示贯流风机内轴向流动特性,叶轮交错角对叶轮中盘附近流场影响显著;采用仿秋沙鸭翼型叶轮能够改善贯流风机叶轮进出口流动状态,增大叶轮偏心涡强度,提升叶轮做功效率。根据实验结果,与原型机相比,采用仿秋沙鸭翼型叶片的贯流风机在相同转速下风量基本不变。在送风工况条件下,功率最大降幅为3.3%;在制冷工况条件下,功率最大降幅为2.7%,噪声最大降幅为0.3 dB。     

动车组轴流冷却风机气动设计与研究

采用一维设计与三维数值模拟分析相结合的方法,对某动车组轴流冷却风机进行气动设计,并分析研究了等环量指数对轴流冷却风机气动性能的影响.根据一维设计的几何参数进行三维建模;再利用NUMECA软件对所设计风机进行深入数值模拟分析及结构优化改进;最后,选取最优方案加工样机并进行性能试验.试验结果表明:该轴流冷却风机的整体气动性能较优,与原设计相比有较大改善,特别是效率提高了近3%,叶轮进、出口流场较原机叶轮也更加稳定.该国产化风机与同类型某进口风机相比性能更优.     

基于开源求解工具的超临界二氧化碳印刷电路板式换热器流动传热特性数值研究

超临界二氧化碳作为工质的布雷顿循环中印刷电路板式微通道换热器(printed circuit heat exchanger, PCHE)作为连接主压缩机、透平等涡轮机械的关键设备之一,其换热能力是否满足系统设计的工况要求,以及其运行的稳定性,对于整个发电循环的效率和安全性都有着重要的影响。采用流体-固体强耦合传热模型,对换热器内部超临界二氧化碳的流动和流固耦合传热过程进行数值分析。在稳定运行工况下,采用努塞尔数衡量换热器内部的换热不均匀性,得出沿着冷、热通道对流传热强度变化等指标。在非稳态工况下,不仅研究了流动传热特性,还研究了由于PCHE内部换热能力不均匀分布可能导致的部分二氧化碳工质偏离超临界态的风险区域,为超临界二氧化碳发电循环的设计优化和实验验证提供了参考。基于开源的流体力学及传热求解软件,通过测试开源求解工具对于PCHE流动传热特性分析的能力,为基于开源求解工具开发PCHE及超临界二氧化碳发电循环的数值分析专用工具平台,建立针对超临界二氧化碳发电设施的数字孪生系统奠定基础。     

离心通风机内部流场数值模拟

为降低离心通风机的能耗,在不同体积流量参数条件下应用Fluent软件对WDLH-450型离心通风机内部流场进行了数值模拟,得到风机效率、总压力和叶轮功率等数据.结果表明,总压力和效率等性能参数的模拟结果与实验测量数值非常吻合,验证了数值模拟的正确性.由于风机叶片为不规则几何体,使得风机在工作时内部流场非常复杂,叶片旋转时会产生不规则的气流,形成蜗壳区域气体的二次流动和叶轮前盘区域的涡流,造成叶轮和蜗壳区域流动能量的损失.同时,各叶轮流道的流场由于气流流动分布的不均匀性而存在压力不对称的现象.     

风冷汽油机热载荷分析及喇叭型导流罩的影响研究

为了深入分析热载荷对风冷发动机运行稳定性的影响，通过CONVERGE仿真软件对某四冲程风冷式汽油发动机缸内燃烧过程进行数值模拟计算，获得了完整的缸内燃气侧热边界条件。基于FLUENT仿真软件，建立发动机热流固耦合稳态传热仿真模型，获得了燃气侧不均匀热载荷与机体外复杂空气流动共同作用下的发动机热载荷分布，并通过台架实验验证了稳态传热仿真的准确性。设计喇叭型结构导流罩，分析了导流罩收缩比对导流罩性能的影响，改善发动机的冷却效果。结果表明：发动机稳态传热仿真与台架测试最大误差为3.12%,仿真模型具有较高的准确性；发动机机体最高温度为655 K,出现在排气道端口处位置；随着导流罩收缩比的减小，发动机冷却散热性能增强，收缩比λ为1.94时，冷却强化效果最好，机体最高温度降低8.8 K。研究对风冷汽油机的冷却系统设计及优化具有一定的指导意义。     

电机液冷流道扰流片优化设计

电动汽车电机的体积小型化、功率高密度化以及工作环境相对封闭等特点,使得其产热和散热问题研究成为电机结构设计的重要课题。为了提高驱动电机的散热效果,文章以液冷电机为研究对象,提出在其定子冷却流道中加入扰流片进行传热强化,并设计了多种扰流片结构设计方案;对各种结构设计方案的电机定子进行三维建模,使用计算流体力学(computational fluid dynamics,CFD)软件进行温度场与流场的仿真,对比各方案的优劣,优化出扰流片的结构方案;使用Simulink软件对优化结构进行理论分析,并与CFD仿真结果对比,验证了优化结构的可行性。     

小型喷雾冷却装置两相区传热特性模拟及优化

喷雾冷却技术应用于小型固体激光器等高功率设备时，对其操作参数优化是提高系统传热能力、提升设备运行稳定性的有效手段．针对某小型喷雾冷却装置开发的需要，基于计算流体力学(CFD)开展模拟研究，采用欧拉-拉格朗日方法，设计开发了喷雾冷却系统数理模型，模拟结果与实验结果的最大相对误差为4.3%，证明了模型的可靠性.通过单因素模拟研究操作参数对系统传热性能的影响，结果表明：热流密度为223.98 W/cm²时，降低工质温度、增大工质流量与喷射速度、降低环境温度均可提升系统的传热性能；其中工质温度、工质流量与喷射速度对喷雾冷却两相区传热过程影响明显，环境温度则影响较小；不同操作参数下热沉表面温度均呈现中心温度低并沿径向逐渐升高的特征．在单因素模拟基础上，通过正交模拟试验方法对操作参数进行整体优化，确定各因素显著程度.结果表明：热流密度一定时，以热沉表面平均温度为指标，操作参数对系统传热性能影响显著度排序为工质流量>喷射速度>工质温度；基于喷雾冷却装置设想，优化出的实验系统操作参数推荐值为工质流量46.88 L/h、喷射速度23.4 m/s、工质温度8℃．建立的模型...     

风冷发动机离心式冷却风扇设计中的几个问题

风冷发动机冷却系统设计的优劣,直接影响到发动机动力性、经济性、可靠性、耐久性能的好坏与外尺寸的大小。它的任务是根据气缸内高温工质传给冷却空气的热量,设计出满足冷却所需风量、风压特性、且高效率,低噪声、尺寸小的冷却风扇。匹配为恰到好处的导风罩和布置合适的散热片,以合理组织与分配气流,控制柴油机在最佳热状况下工作。 其中,冷却风扇的设计至关重要。以往风冷发动机离心式冷却风扇的设计,大都是经验设计,即参考样机风扇,选择几何参数,用一定的结构尺寸来满足给定的性能要求。通常是按多种方案并设计制造后,进行     

基于微流道技术的电磁功能结构防除冰系统流场与传热特性分析

基于微流道技术的电磁功能结构气热防除冰系统设计与其内/外流场的流体流动行为及传热特性密切相关。为了实现微流道气热防除冰系统设计,提出了一种流场-传热耦合数值分析方法,以气热空心石英纤维增强树脂基复合材料为微流道实现手段,进行了典型翼面前缘电磁功能结构的流场与传热特性仿真分析。结果表明:在-15 ℃的外部条件下,基于微流道的防除冰方案具备满足防除冰需求的潜力,为后续进行气热防除冰方案优化设计提供了理论支持。     

滚筒洗衣机烘干流道改进及离心风机降噪研究

为研究滚筒洗衣机的烘干流道与其离心风机的气动性能和气动噪声的匹配关系,优化烘干流道、提升离心风机气动性能、降低气动噪声,文章利用数值模拟的方法对离心风机的流场特性进行仿真,对其气动噪声进行模拟,获得了原模型离心风机的流场特性和气动噪声特性,并通过实验验证了数值模拟的正确性;根据计算结果,设计了改进模型提升离心风机的气动性能,降低其气动噪声,并进行实验测试了原模型与改进模型离心风机的性能。结果表明:改进后的烘干流道降低了对气流的阻力,改善了其与离心风机的匹配关系,使风机全压提升45.61Pa,提升幅度达23.05%,效率提升20.11%,洗衣机整机噪声下降2.54dB(A)。优化后的流道和离心风机的气动性能与噪声特性具有良好的匹配关系。     

不同工质振荡热管的传热性能

为了解不同工质回路振荡热管运行和传热机理及规律,进行了风冷弯曲封闭循环振荡热管的实验,测定了R123、乙醇和水3种不同工质在振荡热管中不同充注量及不同加热功率下的热阻.结果发现,振荡热管的激励和传热特性与工质的物性包括饱和温度、比热容、汽化潜热及饱和温度下压力随温度的变化率有关,且不同物性在不同工况下作用大小不同,这决定了热管发生振荡的难易和发生振荡后热阻性能的变化.     

叶顶泄漏流对半开式离心泵叶轮流动结构的影响

为研究不同叶顶间隙下叶顶泄漏流对半开式叶轮离心泵流动结构的影响,设计5种不同尺寸叶顶间隙方案,采用SST k-ω湍流模型,对半开式叶轮离心泵进行全流道三维数值计算,分析半开式叶轮叶顶间隙内部流动结构并进行可视化实验验证.结果表明:随着叶顶间隙的减小,离心泵的扬程和效率明显上升,间隙值减小到0.7 mm时,进一步减小叶顶...     

液力变矩-减速装置制动特性流场分析

为准确获取液力变矩-减速装置的制动特性,建立了某型液力变矩-减速装置制动工况下各叶轮及辅助液力减速器流道模型。运用CFD技术分析了液力变矩-减速装置泵轮、涡轮闭锁状态下在1000~2000 r/min转速时的各叶轮及辅助液力减速器流道内部速度流线、压力场分布特点,并进行了制动特性仿真计算。仿真结果与实验结果对比计算误差在10%以内,表明仿真方法和仿真模型准确、可靠。     

高温气冷堆主氦风机预防性维修策略研究

高温气冷堆主氦风机是清华大学自主研发的先进核能核心装备之一，对于反应堆的正常运行至关重要。主氦风机停机会导致反应堆紧急停堆，直接影响核电厂的运行，并可能带来安全风险。因此，需要评估主氦风机的可靠性，并对主氦风机开展预防性维修策略研究，以保障高温气冷堆核电厂高质量运行。首先，该文使用故障模式、影响和危害性分析(failure mode, effects and criticality analysis, FMECA)方法识别主氦风机的关键重要部件；然后，基于各部件的通用数据评估得出主氦风机的故障率及各部件故障率占比，为提高主氦风机的运行可靠性提供参考依据；最后，使用以可靠性为中心的维修分析(reliability centered maintenance analysis, RCMA)对主氦风机的预防性维修策略进行规划，提出预防性维修方案建议。该文研究成果可为新研核能设备提升设计质量提供参考，为其他相关核能设施开展可靠性和维修性研究提供借鉴。     

平面电机散热器热流建模与尺寸-拓扑并行优化设计

为了提高平面电机水冷散热器热流性能,该文构建了散热器热流模型并开展了"结构尺寸-流道拓扑"并行优化设计.首先,构建了散热器3层热流模型,该模型囊括了盖板与流固混合层的流动/传热耦合效应以及散热器厚度方案对热流场的影响.其次,基于3层热流模型,引入孔隙度域来描述流道拓扑,构建了包含流道拓扑变量与层厚变量的连续伴随结构优化...     

双流道叶轮内部三维定常湍流数值模拟

对某双吸离心泵的双流道叶轮内部的定常三维湍流进行了全流道数值模拟以研究其内部流动规律。计算基于Reynolds时均Navier-Stokes方程,采用了标准k-ε湍流模型,压力速度耦合使用SIMPLE算法。计算得到了叶轮进口和水平截面的速度矢量图、叶片压力面和吸力面以及叶轮盖板的压力分布等值线图,并对其进行了分析。结果表明全流道计算可以较好地模拟双流道叶轮的内部流动,尤其是叶轮进出口的流动,并可对泵的外特性做出预估。计算结果有助于深入了解双流道叶轮内部流动机理,指导叶轮的水力设计。