碳化硅泡沫陶瓷空气吸热器性能数值模拟

基于Dymola软件平台,建立了以碳化硅泡沫陶瓷为吸热体的塔式太阳能热发电用空气吸热器一维动态仿真模型。模型结合了Rosseland辐射传递方程,并考虑了空气物性随温度及压强的变化。使用Modelica语言编写程序,并由该语言对代数微分方程自动求解。通过分析仿真结果,剖析空气吸热器工作过程的传热特性,得出投入辐射能热通量、吸热体厚度、平均孔径等参数对空气、吸热体温度及系统达到稳定所需时间的影响,为该类空气吸热器的设计提供了理论依据。     

不同环境风下改进半球形吸热器换热特性

为研究改进半球形太阳能腔式吸热器在不同环境风速下的换热性能，建立了吸热器的物理模型，利用TracePro光学模拟软件计算得到吸热管壁的能流分布，折算为体热源加载到吸热管管壁；运用Fluent软件，对倾角在0°—90°的吸热器内导热油与环境的换热特性进行了数值模拟，探究了不同风速和风温下吸热器的各项热损失、导热油出口温度及热效率的变化规律。结果表明：随着环境风速的增加，对流热损失和总热损失呈上升的趋势，出口温度及吸热器热效率呈下降趋势；在低风速下，出口温度及热效率随吸热器倾角的增大而增大，在高风速下，当吸热器倾角在30°时，出口温度和热效率最高；在相同的环境风速下，随着环境温度的升高，吸热器的各项热损失逐渐下降，出口温度呈上升的变化趋势，吸热器的热效率逐渐增大。     

有压腔式吸热器内辐射传播过程的Monte Carlo模拟

建立了有压腔式吸热器的光学模型，采用Monte Carlo光线追迹法（MCRT）对吸热器中太阳辐射传播、吸收过程进行了模拟研究。在光线追迹计算中，将非连续多孔结构吸热体中的光线传播过程近似为各向同性均匀连续浑浊介质中的传播过程，并对多孔结构吸热体区域内网格做了局部加密处理，采用非均匀网格统计各个网格吸收的光子能量权值之和，从而在较低计算资源消耗的前提下实现了大尺度非规则多孔结构吸热体内的热流分布计算。计算结果表明，在给定工况条件下多孔结构吸热体所吸收的太阳辐射热流集中于吸热体的顶部区域，局部热通量极值达到了2.87×10⁹W·m^-3，而在吸热体的两侧，热通量迅速减小，整个吸热体内的太阳辐射热流分布呈现出极不均匀的特征，从而影响吸热器系统运行的稳定性和安全性。     

太阳能固体颗粒吸热器数值模拟研究

太阳能固体颗粒吸热器是一种利用自由下落的固体颗粒来吸收聚焦太阳辐射的吸热器。考虑了颗粒相与流场之间的相互作用以及颗粒相对辐射场的影响,基于离散相模型和DO辐射换热模型,对固体颗粒吸热器中幕状物的形态以及吸热性能进行了数值模拟,讨论了辐射强度、颗粒直径、颗粒质量流率、颗粒吸收率和颗粒初温对固体颗粒吸收器的流场和热性能的影响规律。模拟结果表明:颗粒质量流量和颗粒粒径对吸热器效率的影响明显;入射辐射强度从500 kW/m~2增加到1 500 kW/m~2时,颗粒出口温度提高,吸热器效率从46.51%逐步增加到49.74%;颗粒粒径从1 297μm减小到500μm时,吸热器效率由35.5%增加到52.1%;颗粒质量流量从1.2 kg/s增加到6.7 kg/s时,颗粒出口温度降低,吸热器效率从23.8%增加到57.6%;颗粒初温由300 K升高到900 K时,颗粒温升降低,吸热器的效率从42.2%下降到37.9%。     

溶液再生器传热传质过程的数值模拟

根据湿空气和溶液热质交换的基本理论,建立了叉流溶液再生器的传热传质数学模型,并将该模型简化,得出空气和溶液的质量、能量控制方程。根据数值求解的方法,对方程进行离散简化,利用Matlab语言编程模拟计算。将模拟结果和实验结果进行了比较,结果表明本模型可靠。     

流化床太阳能粒子吸热器内流动传热数值模拟

基于计算颗粒流体力学(CPFD)方法对内循环流化床固体颗粒太阳能吸热器中的气固两相流动进行建模,结合P1辐射模型,对吸热器内颗粒流动和传热过程进行了研究,并通过试验数据对模型进行了验证。模拟研究了吸热器在内部强制再循环作用下的颗粒流动和传热过程,分析了气体质量流量、颗粒浓度、再循环率等参数对吸热器内颗粒流动传热的影响。结果表明,气体质量流量的增加会使轴向的颗粒温度增加;随着颗粒体积分数的增大,吸热器出口气体温度和热效率均增大,但是当颗粒体积分数超过0.06%时,颗粒体积分数的增大会导致吸热器的净吸收能力和出口气体温度降低;再循环速率增大,出口气体温度和热效率呈现先增大后减小的趋势,表明需要选择合适的再循环速率以保证吸热器的良好性能。     

熔盐吸热管瞬态传热特性的数值研究

建立熔盐吸热管瞬态传热的实验台和数值计算模型,分析管外壁热通量突变、熔盐流速突减、外壁热通量和熔盐流速同时突减对吸热管瞬态传热特性的影响规律,结果表明：管外壁热通量突变（突增或突减）时,吸热管入口段的管中心熔盐温度变化较小,但其管壁温度变化较快。管内熔盐流速突减时,熔盐出口温度和管外壁温度均随时间的推移逐渐增大,而管外壁与管内壁温差随时间的推移先降低后升高,t≥16.0 s,各温度和温差基本稳定。吸热管外壁热通量和管内熔盐流速同时减半时,管中心及出口熔盐温度均随时间的推移先升高后降低,稳态后两处熔盐温度保持定值且与瞬态开始前对应熔盐温度接近。吸热管瞬态稳定后的管外壁与管内壁温差和管外壁热通量变化呈正比,与熔盐流速变化无关。得到瞬态稳定后吸热管熔盐出口温度表达式,为瞬态传热过程中吸热器熔盐出口温度控制提供理论依据。     

新型平板太阳能PV/T空气集热器传热特性的数值研究

文中设计了一款新型PV/T一体化空气集热器,建立了新型PV/T空气系统内部传热过程的一维非稳态数学模型,并利用差分法对模型进行了数值计算。根据计算结果对一体化系统的性能及影响因素进行了分析。结果表明:在一定的光照强度下,随着空气质量流量增加,电池板温度Tp逐渐下降,空气温升逐渐降低;而热效率、光电转化效率、联合效率随空气流量的增加有所升高。模型的建立为高性能太阳能PV/T一体化空气集热器的优化设计提供较好理论依据。     

碟式太阳能热发电系统中吸热器温度场模拟

纯太阳能热发电作为一种能源清洁转换的有效方式越来越受到关注,吸热器作为发电过程中的能量转换装置在整个发电系统中起到了重要的作用。文中分析了吸热器的温度分布,比较了吸热器5种不同结构的温度场。结果表明:球形吸热器最适合用于太阳能热力发电系统,并给出了球形吸热器在不同时间段的温度分布。计算结果可为工程设计和使用吸热器提供参考。     

相变热控装置内部的传热特性

针对舱内热控用相变热控装置内部的传热特点,研究装置内相变材料吸热过程的相变传热及流固耦合传热规律,建立了相应的数理模型及数值计算方法,进行了实验验证,并在此基础上分析了典型热控单元吸热特性的影响因素及作用规律。相关研究成果将为相变热控装置吸热及热控特性的有效预测,以及为装置的设计及优化提供参考。     

压缩空气A类泡沫水平管路压降实验及数值模拟

压缩空气A类泡沫是具有非平衡自组织结构的两相可压缩非牛顿流体,针对不同发泡倍数的泡沫特性进行水平管路压降实验及数值模拟研究。泡沫具有良好的压缩性能,其内部压力随着压缩体积的增加呈指数型增长,并在1 MPa的实验压力下可保持结构稳定而不发生泡沫破碎。泡沫属于非牛顿流体,具有剪切变稀的性质,其黏度流变行为符合Herschel-Bulkley模型。综合考虑其压缩性能及黏度变化,运用Fluent数值模拟软件针对不同发泡倍数的泡沫在水平管路中的层流流动进行模拟,并通过实验检验其压降模拟结果的可靠性,结果表明其误差可控制在10%以内,模拟方法具有一定的准确性。     

回转窑二次风富氧燃烧的数值模拟

针对一实际尺寸的回转窑建立模型,分别进行了空气助燃(21% O₂)和二次风富氧(23% O₂)燃烧的数值模拟研究。结果表明,二次风富氧后,高温区覆盖形状没有明显变化,仍呈“棒槌状”;在回转窑前端,煤粉挥发分与焦炭燃烧速度加快,整体温度有所提升,最高温度由2386 K增至2427 K,壁面所接收的辐射量得到了提升;但NO_x的生成量也大幅度提高,其中出口处NO_x由247 mg/m³增至367 mg/m³。考虑到制氧成本问题及NO_x排放问题,在二次风中进行富氧燃烧的总体效果不够理想。     

SLK分级机两种进风口的数值模拟与实验

在Fluent软件中选用标准的k-ε模型对分级机送料筒内气流分布进行模拟,得到两种不同进风口时的气流分布情况。分级机采用对侧进风口时,送料筒内气流运动属于对冲、挤压、压扁与转向的过程,气流分布不均。分级机采用环面进风口时,送料筒内气流运动是一个汇集、分散、转向的过程,气流分布相对均匀,有利于提高分级精度。实验研究中,保持喂料速度、系统风量、分级机转速一定的条件下,通过改变进风口面积,分别测试了两种风口在不同进口风速时的切割粒径、分级精度的变化。实验结果表明,随着风口面积的减小,进口风速增大,两种风口的分级机的分级粒径基本不变,分级精度先增大后减小。通过分级精度的对比,说明环面进风对于颗粒的分散性能较对侧面进风更为优越。     

椭圆管矩形翅片空冷器流体流动与传热特性数值分析

对电站空冷器椭圆管矩形翅片空气侧的流动与传热特性进行了数值模拟,分析了翅片间距、翅片厚度、迎面风速以及环境温度对翅片侧流体与壁面之间的表面传热系数以及流动阻力的影响。数值模拟结果表明：随着迎面风速的增加,表面传热系数和流动阻力显著增加;翅片间距对表面传热系数影响不大,但对流动阻力和总散热量的影响显著;表面传热系数和流动阻力随翅片厚度的增加呈单调增加的趋势。本文数值模拟结果可为电站空冷器的设计与实验提供参考。     

Properties of ceramic foam catalyst supports: mass and heat transfer

Mass and heat transport properties have been determined for 30 PPI -Al₂O₃ ceramic foam containing 6 wt.% γ-Al₂O₃ washcoat. The foam was loaded with 5 wt.% platinum and the rate of carbon monoxide oxidation measured for a 0.3 cm cylindrical segment of the foam operating with mass transfer controlling at 550 °C. This gave a mass transfer factor versus Reynolds number correlation that was equivalent to a packed bed of particles.

A correlation for the radial heat transfer coefficient in a bed of ceramic foam was determined by measuring outlet temperatures achieved when air at varying flow rates and inlet temperatures was passed through a bed of foam pellets. Correlation parameters of a 1D model were fitted from 700 to 1000 °C using a Simplex optimization routine. Radial heat transfer coefficients were two to five times higher than those predicted from packed bed correlations.     

风速对骨料烘干煤粉燃烧器排放特性的影响

基于煤粉燃烧机理,结合骨料烘干工艺,建立了骨料烘干煤粉燃烧器内部场的控制模型,采用Fluent软件模拟煤粉燃烧器内部燃烧状况,考察了一、二、三次风的风速对煤粉燃烧器中心轴线处CO, CO2, NO和SO2浓度的影响。结果表明,在研究的风速范围内,一、二、三次风风速越大燃烧越充分,一、二、三次风风速越小,产生的NO越少;三次风风速为40 m/s时,SO2浓度最低;较合理的控制参数为一次风风速30~35 m/s,二次风风速45~50 m/s,三次风风速30~40 m/s。     

大功率PEMFC空气供给系统建模与实验验证

近年来,质子交换膜燃料电池(PEMFC)作为车载燃料电池的主要动力源受到广泛关注。空气压缩机为电堆提供系统所需的氧气和阴极压力,是质子交换膜燃料电池系统中必不可少的一部分,其工作性能对燃料电池稳态和动态工作性能有很大的影响。基于实验室已有150 kW质子交换膜燃料电池系统,对离心式空压机的工作特性进行了研究,建立了包含离心式空气压缩机的空气供给系统应用模型。通过实验验证,仿真模型能够准确地反映离心式空压机与空气系统的特性,同时能真实反映包含离心式空压机的大功率质子交换膜燃料电池空气系统的稳态控制效果,以及不同控制策略下的动态响应效果。该模型对研究大功率质子交换膜燃料电池空气供给系统以及相应的控制策略提供理论支持,仿真模型与实验结果为下一步控制策略优化提供基础与参考。     

双流体模型模拟冰柜空气对流传热

采用双流体模型对冰柜空气对流传热进行了数值模拟,在验证了模型有效性的前提下,考察了不同外部风速、风向以及不同风幕速度下的冰柜空气对流传热特性。结果表明,外部风速越大,冰柜内外热量交换越多,并且在较短时间内,冰柜内外热量交换与时间基本呈线性关系;外部风向与水平风向相差15°以内时,影响较小,而达到30°时,出现明显影响,能量损失相比水平风向增大约30%;此外,考察了风幕对隔绝冰柜内外热量交换的影响,发现存在最小风幕速度和最佳风幕速度范围,风幕速度小于1.5 m·s^-1时不能形成有效风幕,大于3.0 m·s^-1会造成冷气外溢,造成能量损失,最佳风幕速度范围为2.6～3.0 m·s^-1。     

进风量对燃气燃烧器燃烧及NO_x排放特性影响

运用Fluent软件对40 t/h锅炉用燃气燃烧器的性能进行三维数值模拟。首先用Pro/E软件画出燃气燃烧器和炉膛三维图,然后在Gambit中进行建模,采用相关数学模型,在Fluent中设置边界参数及初始条件,迭代计算得出结果。研究了燃烧器的总体性能,燃烧器及炉膛内部甲烷、空气、压力、温度分布云图。着重研究了进风量过大或过小时对燃烧器及炉膛内速度场、温度分布、NOx排放量的影响。结果表明:合适的进风量是保证燃烧器稳定燃烧的关键因素之一,对污染物NOx的排放也是关键的影响因素。数值的模拟计算结果对燃烧器优化设计改造提供了重要的研究依据。     

Preparation and characterization of magnesium aluminate (MgAl2O4) spinel ceramic foams via direct foam-gelcasting

Lightweight MgAl₂O₄ spinel ceramic foams with high mechanical strength and good dielectric properties were prepared with a direct foam-gelcasting method using MgAl₂O₄ and TiO₂ (rutile phase, as sintering aid) powders. The effects of calcination temperature and foam volume on bulk density, apparent porosity, and on the mechanical and dielectric properties of the ceramic foams were investigated. Tailored porosity (75.14–82.46%), pore size (10–200 μm), dielectric constant (1.66–2.05), and compressive strength (4.0–14.3 MPa), were obtained based on the change of the foam volume in the foamed slurries, and the calcination temperature of porous ceramics. The compressive strength and dielectric constant of the as-manufactured spinel foam with a porosity of ~75.14% was as high as 14.3 MPa and 2.05, respectively. The spinel ceramic foam which had a porosity of 81.84% was prepared with a foam volume of 350 mL and a sintering temperature of 1500 °C, and exhibited heterogeneous pore structures, whereby large and open spherical cells involved in small circular windows on the internal walls with a mean pore size of ~66.26 μm and a grain size of ~8 μm. The experimental dielectric constant matches well with that calculated by the modified Bruggeman model. The dependence of the mechanical strength on the relative density can be represented by the Gibson and Ashby model. The fitted index values of the power relationship were 3.504 and 3.533, compared to the theoretical value of 1.5. The ceramic foam can potentially become a new type of electromagnetic wave-transmitting radome material due to its low dielectric constant (1.66–2.05) and dielectric loss (0.0026–0.006) values.