太阳能热化学反应器多场耦合及协同优化研究

以太阳能高温热化学反应器作为研究对象,针对甲烷还原氧化铈分解水制氢的两步法热化学循环过程,建立耦合光学、流动与传热、化学反应动力学及组分输运的多物理场模型,与实验结果对比验证模型精确性;研究各场之间的耦合机制及其对提升太阳能燃料转化效率的影响机理,提出太阳能反应器内的光-热-化学过程之间的协同优化方法。结果表明：甲烷氧化放热与氧化铈还原吸热互相作用使得催化剂温度存在波动;提高催化剂质量,同时辅以适当的光功率与反应物流量,反应物产率可得到进一步提升,太阳能-化学能转化效率最大可达到38.75%。     

排水管道瞬变流的SWMM模拟能力研究

暴雨洪水管理模型（SWMM）在城市雨洪管理中发挥了重要作用，但对其模拟排水管道瞬变流的能力研究较少。针对排水管道中有压水力瞬变情况，以经典特征线法为参照，对SWMM的模拟能力进行了分析及改进。计算结果发现，原SWMM模型对排水管道快速有压瞬变流的模拟能力较差。为此，提出了“设置虚拟节点、修改Preissmann狭缝宽度”的改进方法，可有效提高SWMM模拟瞬变流的计算精度；同时，进一步分析了空间步长、波速、管段管径比、CFL稳定性条件、收敛精度及节点最小表面积等关键参数对模拟准确度、稳定性、计算效率的影响，并给出了建议取值范围。     

基于有限体积法Godunov格式的水锤计算模型

针对管道内水锤问题,基于一阶和二阶Godunov格式的有限体积法建立数学模型并进行模拟分析。采用Riemann求解器对离散通量进行求解,同时在计算中引入对流项;采用MUSCL-Hancock方法进行重构得到二阶精度的Godunov格式,为了避免虚假振荡引入MINMOD斜率限制器;提出了虚拟边界的处理方法,实现了计算区域的所有节点和边界的统一计算。计算分析表明,虚拟边界法既保证了计算结果的精确性,又避免了边界处理的复杂性;一阶Godunov格式与传统的特征线法计算结果一致;当库朗特数小于1时,一阶Godunov格式和特征线法的瞬变压力可能出现严重的数值耗散,但二阶Godunov格式可有效抑制数值衰减从而得到更为准确稳定的计算结果;在马赫数很小的情况下,对流项对模拟结果的影响可忽略。     

管系水力计算中短管处理的一种方法

短管在水电站、泵站等引水、输水管系中普遍存在,采用特征线法计算有压管道系统瞬变流时,为了满足计算收敛和稳定性,计算时间步长受最短管的限制,导致计算耗时较长。采用集中惯性元件模型对管道刚性化处理,可以解决计算耗时的问题,但破坏了相邻节点求解的独立性,给管系中相关边界的处理带来麻烦。结合刚性模型求解在耗时上的经济性和弹性模型在边界模型处理时的方便性,构建了短管相容性求解模型。在不降低计算精度的情况下,使得刚性部分仍可采用弹性模型求解,有助于复杂管系求解模型的通用化和标准化,方便求解程序的编写与维护。     

基于KBM法的气垫式调压室涌波显式解析解研究

调压室涌波计算是水电站引水系统设计和优化的重要内容。为解决现有调压室涌波隐式计算公式应用困难、显示计算公式通用性差等问题,本文通过建立统一的气垫式调压室室内气体体积与水位关系,考虑过渡过程流量变化状态和系统阻力、阻抗作用特点,推导出对各种体型均适用的气垫式调压室水位涌波方程,分别以稳定终了、初始稳定时刻为基准,采用KBM渐近法求得其水位涌波及相关极值的显示解析计算公式,并分析了不同基准的公式误差。这些公式求解方便,其中以稳定终了为基准的公式计算误差可控制在1%以内,且对各种体型的气垫式调压室及开敞式调压室均适用。     

管道内水流冲击滞留气团的二阶Godunov数学模型

长距离输水、城市供排水等工程管道系统中常存在水流冲击滞留气团的现象,极可能产生异常压力波动,严重时甚至发生爆管事故.对此,提出将一种准确高效的非恒定摩阻模型引入水流冲击滞留气团的计算中,建立了考虑非恒定摩阻的二阶Godunov模型;并采用“虚拟单元”处理上游入口边界及下游水气交界面,实现了边界通量和内部单元通量的统一计...     

考虑动态摩阻的管道内水气耦合瞬变流的数值模拟

输水管道系统中经常会发生水气耦合瞬变流,可能会引起异常压力波动,甚至造成爆管事故.目前针对水气耦合瞬变流的研究很少考虑动态摩阻的影响,往往会低估瞬变过程能量衰减.对此,引入一种高效准确的简化加权类动态摩阻模型,建立考虑动态摩阻的水气耦合瞬变流模型.同时,采用虚拟塞法避免了特征线法在水气交界面的动态追踪时数值插值和求解的...     

水电站气垫式调压室的体型设计

针对目前气垫式调压室体型设计尚无成熟方法可依的情况,基于国内已建工程的气垫式调压室设计资料,采用参数统计分析方法建立了相关参数间关系,拟定了各体型参数取值,并按参数拟定的方便程度逐步介绍各体型参数的拟定方法。同时,比较分析了基于稳定气体体积与基于稳定断面面积的两种体型设计方法的差异。最后以阴平水电站为例,完成了其气垫式调压室的体型设计,且大幅减小了方案拟定阶段的体型设计工作量。     

抽水蓄能电站高大地下厂房气流试验与数值模拟

为优化宜兴抽水蓄能电站地下厂房内的通风空调设计方案与运行模式,采用现场试验与CFD数值模拟方法,研究研究送风速度、发电机组启停组合工况以及发电机冷却排风方式等主要影响因素对气流组织的影响,分析地下水电站典型层内能量利用系数η、温度不均匀系数kT、速度不均匀系数ku的变化规律。结果表明,在现有的设计方案下,热源设备周围空气的温度显著高于厂房空间内平均温度,湿度低于厂房内平均湿度;热源周围气流由于自然对流的影响,流速有所增加。发电机层的温、湿度以及气流速度分布基本满足设计要求,但在典型热湿季节,温、湿度接近标准上限。     

抽水蓄能电站水力瞬变的有限体积法建模模拟

针对抽水蓄能电站管道内水力瞬变问题,采用二阶有限体积法(Finite Volume Method, FVM)Godunov格式进行数值建模和模拟。首先根据有限体积法将数学模型的控制方程进行离散,采用Riemann求解器进行通量计算。为了得到二阶精度的Godunov格式,避免数据重构时产生虚假振荡,引入并分析比较了3种不同的斜率限制器。机组全特性曲线采用改进的Suter变换,在边界处加入虚拟边界,并与机组边界控制方程相结合,实现了管道内部控制体与边界处计算的统一性。将本研究所建数学模型计算结果与传统特征线法(Method of Characteristics, MOC)计算结果、实测值进行对比,并分析了相关参数的敏感性。结果表明：在库朗数等于1时,二阶FVM与MOC计算结果相同,当库朗数小于1时,FVM计算结果比MOC更准确、更稳定;针对抽蓄机组甩负荷过程,二阶FVM的机组转速计算值与实测值基本吻合,且比MOC计算结果更接近实测值;在抽水蓄能电站水力瞬变计算中,MOC需要对不同特性的管道内水锤波速进行调整,不仅增加计算复杂性,也会产生计算误差;而FVM只需降低库朗数,计算简单方便,且精度...