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[博士论文] 周瑞睿
热能工程 大连理工大学 2018(学位年度)
摘要:辐射是三种基本的传热模式之一,广泛存在于工业、军事和医学等许多领域。辐射的行为可由微积分形式的辐射传递方程描述,辐射传递方程的准确求解是理论分析辐射传热过程的前提。在轴对称系统的辐射传热研究中,采用圆柱坐标系可以简化问题。然而,目前圆柱坐标系下的辐射传递方程求解方法,如常用的离散坐标法,存在计算代价高、计算精度低等问题,在圆柱坐标系下开发高效精确的求解方法仍是亟需解决的难题。配置点谱方法是一种对光滑函数具备无穷阶收敛精度的方法,已经广泛应用于各类流动传热问题的分析中,最近在直角坐标系下的辐射传热求解中也逐渐得到关注。
  本文首先导出了配置点谱方法的显式表达式以减少其实施难度,并基于Schur分解法发展了高效的矩阵迭代求解器,为顺利开发圆柱坐标系下辐射传递方程的配置点谱方法求解器奠定了基础,也为今后圆柱系统中的辐射流体力学、辐射磁流体力学不稳定性分析等提供了技术支撑。
  其次,通过采用配置点谱方法求解与角向无关的辐射微积分传递方程构造了一维圆柱下的基准解,提出分段积分结合插值的方式处理被积函数的不光滑。结果表明,该方法可以高效获得超过七位有效数字的基准解,当前基准解构造效率明显优于其它方法。
  再次,依托基准解分别研究了影响圆柱坐标系下辐射传递方程配置点谱方法和离散坐标法求解精度的因素。结果表明,配置点谱方法的精度严重取决于方程形式和径向节点离散方式等因素,非守恒形式的控制方程结果精度远优于守恒形式,径向离散则应当选取直径而非半径作为计算区间。离散坐标法的精度则取决于极点条件和离散坐标方向的选取等因素,文献中常认为更加优越的轴对称极点条件事实上误差大于对应于镜面反射的极点条件,离散坐标方向选择通过立体角中心要优于其它方案。
  然后,以离散坐标法作为对照,考虑多种参数的影响,评价了配置点谱方法的性能。结果表明,配置点谱方法的稳定性和离散坐标法相同,两种方法的精度都随壁面发射率的减少和光学厚度的增加而降低。同等网格下,配置点谱方法的计算代价和精度都高于离散坐标法。同等精度下,配置点谱方法的计算代价和网格需求都低于离散坐标法。
  最后,对比研究了一维和二维情况下配置点谱方法和离散坐标法的性能变化。结果表明,一维时,两种方法的精度分别为五阶收敛和二阶收敛。而二维时,两种方法都可能遭受严重的射线效应,解析求解壁面相关辐射强度可以有效避免射线效应。但即便无射线效应的情形,二者的精度都衰退严重,并分别降为二阶收敛和一阶收敛。
  综上所述,配置点谱方法是求解圆柱坐标系下辐射传热时可供选择的一种方法,其优于传统的离散坐标法,但用于研究高维问题时已经不具备高阶收敛,还需进一步改进。
[硕士论文] BINIAM BERIHU
Civil Engineering 北京交通大学 2018(学位年度)
摘要:如今,地热能作为一种可再生能源,因其可用于发电、产生稳定可靠的清洁能源而备受关注。然而,在从天然气藏中提取这种资源时,高温蒸汽流体会流经地热井系统,因而在施工阶段和运营过程中管道系统都会出现不同的失效模式,从而导致这种地下管道系统内部结构存在大量不确定性和挑战性。
  本文从地热井管道系统中选取了五种类型的地热井段进行热力学分析数值模拟,分别是无链接套管,有链接套管,以及三个位于不同部位的由于气泡引起的弱水泥护套带。本研究采用数值分析软件ABAQUS对此五种热力井管段进行两阶段热力学分析。
  本文首先对热力井管系统进行了文献综述,在此基础上通过数值分析对五种不同的井管段进行了在温度载荷和内外井壁压力载荷作用下的热力学模拟,并对五种井管段的分析仿真结果进行了对比。在分析中采用的边界条件为沿着纵向和径向为固定边界。温度荷载为300-550℃,作用于钢质井管内表面,用于模拟在启动生产过程中热冲击引起的温度效应。由岩体施加的远场或地层的外部压力作用于水泥护套的外表面;蒸汽流体产生的压力作用于在钢质井管的内表面。本文数值分析中的材料参数取自相关文献,并假设含有气泡的水泥护套带具有相对较低的材料力学性能和热力学参数。本研究基于五种不同的材料参数组合,展开对于五种不同的井管段的有限元数值分析,研究分析了由于链接套管和含气泡水泥护套带的存在对井管系统热应力的大小和分布产生的影响,并对比分析了不同的材料参数对热应力和温度场的影响。
  结果表明,材料的导热系数和杨氏模量对热应力大小具有实质性影响。在地热系统启动生产阶段,温度梯度引起的热应力直接关系到井管系统的安全性。
  本研究还表明,链接套管的存在可引起不均匀的温度和热应力场的分布,增加了井管系统由于热冲击而引起的失效破坏风险,所引起的温度升高及热应力的增加主要由材料的高导热系数所致。研究还发现,当含气泡弱水泥护套带位于连接套管远端时,对水泥护套和岩体中的应力影响较大。
[硕士论文] 邱升
动力工程 扬州大学 2018(学位年度)
摘要:太阳能光伏光热综合利用(Photovoltaic/Thermal,PV/T)系统可综合利用太阳能产电和生热两种效益,从而为提升太阳能综合利用效率提供了一条有效途径,已成为当今太阳能利用领域的研究热点之一。PV/T集热器冷却管网内的流动与换热性能是影响整个PV/T系统工作效率的关键,而传统的PV/T集热器通常未考虑其背部冷却管网的优化设计,引起光伏组件区域均温性差及泵功消耗较大等诸多问题,从而导致PV/T系统综合工作性能下降,这严重限制了太阳能光伏光热综合利用技术的推广应用。值得注意的是,近些年来微通道换热器流道结构优化设计方面已经取得了长足的进展,受此类研究的启发,本文基于Discrete Ordinates热辐射理论建立了的PV/T集热器管网通道内流动与换热的三维稳态理论模型,并对具有不同冷却管网结构的PV/T集热器内流动与换热特性进行了数值模拟研究,探讨了PV/T集热器换热性能的影响因素,提出了集热器流动与换热性能的优化措施,并从系统层面研究了集热器性能变化对PV/T系统综合性能的影响规律。
  在不同通道结构PV/T集热器流动与换热性能研究方面,本文基于Discrete Ordinates热辐射理论建立了的PV/T集热器管网通道内流动与换热的三维稳态理论模型,详细分析了在太阳辐照条件下,PV/T集热器不同结构冷却管网通道内的流动与换热特性,揭示了冷却通道对PV/T集热器冷却换热性能的影响机理,并定量评估了不同构型冷却通道下PV/T集热器的品质因子。结果表明:相对盘形和蛇形通道式,平行通道式的整体压降最低,品质因子最高,经济性最好。在平行通道式中,随着支管数的增加,通道整体压降逐渐降低,并当支管数达到10时通道整体压降达到最低。Z型通道整体压降相对其他通道构型较高,C型通道中各支管流量分配不均衡性较高,而I型通道结构整体压降较低且各支管流量分配较均匀,相对其他通道最为合理。随着管径比的增加,分配到各支管的流量趋于均匀,从而电池层的表面平均温度逐渐降低,温度分布也逐渐均匀,光伏组件整体运行工况得到改善。随着集热器背部冷却通道中入口流速的增加,所有类型通道的整体压降都随之升高,电池层表面温度随之下降且电池层温度分布的均匀性得到改善。
  在平行通道式PV/T集热器传热性能强化方面,本文通过在冷却通道上添加变径结构来强化集热器冷却管网的换热效果,并基于所建立的集热器流动与换热模型详细分析了不同变径结构类型、变径结构高度、变径结构间距的通道下PV/T集热器的流场、温度场分布特性,揭示了在变径结构作用下流体对PV/T集热器冷却过程的影响机理,并定量评估在不同变径结构影响下PV/T集热器的品质因子。结果表明:在冷却通道中添加变径结构可以强化通道中流体与壁面的换热,从而使光伏组件在具有变径结构的通道上达到更低的表面温度。在冷却通道中添加变径结构会增加各通道整体压降,其中具有矩形变径结构的通道整体压降最高。增大变径结构的高度以及减小变径结构之间的距离都有助于增加流体与通道的换热面积并且增大变径结构内漩涡强度,从而达到强化换热的效果,使光伏组件的平均温度降低,但同时也增加了通道整体压降。
  在PV/T系统级模拟优化方面,本文使用TRNSYS建立了PV/T系统的的动态仿真模型,对系统的整体性能进行了模拟计算和优化分析。结果表明:随着集热器冷却通道中的支管数、系统中循环水流量、集热水箱容积的增大,系统的平均光电光热效率、光电光热功率均有效提高,但增速逐渐变得缓慢。
  本文研究不仅对深入认识PV/T集热器的辐射-对流-导热耦合换热机理具有重要的学术意义,还将为PV/T系统集热器的设计优化及PV/T系统电、热综合利用效率的提升提供关键技术支撑。
[硕士论文] 袁一平
流体机械及工程 扬州大学 2018(学位年度)
摘要:风力机实际运行时多处于湍流之中,湍流的存在将对风力机气动性能产生显著影响。风力机叶片是由无数翼型截面组合而成的,因此对湍流中风力机翼型气动特性的研究具有十分重要的意义。
  本文采用Fluent计算软件,选择大涡模拟(LES)计算方法对同济大学6×5×05型格栅流场进行数值计算,将计算结果与试验数据进行对比,验证计算方法可行性。结果毒明,格栅湍流场的湍流强度分布情况吻合较好,该计算方法适用于对格栅湍流场的预测。基于该方法对扬州大学4×8×03型格栅流场进行预测,计算结果表明,在距离格栅1~2m位置处可以获得大约8%~10%的湍流强度,符合湍流工况翼型试验要求。
  在风洞中采用热线风速仪对五种不同形式的格栅流场进行试验研究。结果表明,风速对格栅流场湍流强度和积分尺度的影响很小,流场中湍流强度是随距离的增大而变小,湍流积分尺度变化趋势与之相反;当格栅栅条间距变化时湍流强度变化较小,栅条宽度变宽时会使湍流强度和积分尺度显著增加,加装横向栅条会使湍流强度增大积分尺度减小。从湍流功率谱密度角度对典型格栅流场进行分析发现,风洞实测功率谱与Karman谱吻合较好,湍流功率谱密度随着格栅距离的增加而变小,随着湍流强度和来流风速的增大而变大,不同方向脉动风功率谱特性变化规律相同。
  在风洞中对DTU-LN221翼型进行不同湍流工况的气动特性试验研究。研究结果表明,湍流强度小于0.5%时,雷诺数从5.0×105变化到1.4×106,升力系数变化很小,阻力系数逐渐减小,导致最大升阻比随着雷诺数增大而增大;在湍流强度大于9%时,雷诺数对翼型气动性能影响很小。对比不同湍流工况翼型气动特性发现,在湍流强度大于9%时翼型的失速攻角从12.4°推迟至17.4°,升力系数有明显提升,在湍流强度为19%时最大升力系数高达1.953;阻力系数也随着湍流强度的增大而增大,力矩系数与之相反,升阻比在主要攻角区随着湍流强度的增大而显著下降。通过对湍流强度相近,湍流积分尺度相差较大的工况比较发现,来流湍流的积分尺度越大,最大升力系数越大,阻力系数也变大,而升阻比变小。翼型升力系数的脉动随攻角的增大而增大,在失速区最为明显。综合而言,翼型气动性能会在高湍流强度大积分尺度来流工况显著降低。从翼型表面压力系数分布来看,湍流对翼型气动特性的影响主要归因于湍流改变了翼型表面的流动状态,推迟了流动分离的发生。
[硕士论文] 杨晶晶
供热、供燃气、通风及空调工程 扬州大学 2018(学位年度)
摘要:地源热泵系统是利用地表浅层地热资源作为冷热源,进行能量交换的可再生能源利用技术,在能源消耗和环境污染日益严重的现状下,近年来应用广泛。地埋管换热器作为地源热泵系统利用中实现与地下土壤热交换的唯一设备,其蓄能传热问题一直是研究热点,而回填材料对地埋管换热器蓄能传热性能的影响至关重要。传统回填材料存在热影响半径大、地下换热区土壤温度持续升高或降低的缺点,因此本文提出采用相变材料(PCM)作为钻孔回填材料的一部分在减小其热响应半径的同时改善其蓄能传热特性,并通过数值模拟和实验测试,探讨了相变过程、相变材料热物性对地埋管换热器蓄能传热特性的影响。
  理论方面,利用CFD软件建立了相变材料回填地埋管换热器的数值模型,探讨了冬夏季工况下相变过程、导热系数、相变温度、相变潜热对地埋管换热器蓄能传热特性的影响规律。结果表明:采用PCM回填利于土壤温度恢复,夏季工况混合酸回填单井总换热量为原土回填的1.16倍,热影响半径为原土的95.65%,在建筑负荷一定条件下,能够缩小钻孔间距,减少土壤占用面积;PCM导热系数增大虽然会导致热影响半径增加,但同时也显著增加了换热量,同样负荷条件下具有优势;夏季工况采用较低相变温度、冬季采用较高相变温度的相变回填材料可以明显改善地埋管换热器的蓄能换热效果;同样条件下相变潜热的增大能够增强地埋管换热器的蓄能效果。
  实验方面,利用相似理论搭建了相变材料回填地埋管换热器的模型实验台,开展了夏季和冬季工况下PCM的相变过程、不同配比及强化PCM换热对地埋管换热器蓄能传热特性影响的实验研究。结果表明:采用PCM回填的地埋管换热器能够减缓钻孔内温度持续升高或降低的问题,保持地埋管换热器循环流体温度与周围回填材料之间较大的温差,对换热过程有利;同时,有效缓解钻孔外土壤温度变化幅度;此外单位井深换热量均大于原土回填,单井总换热量分别比原土回填多9.41、28.27%,能够增强地埋管换热器蓄能效果;减少了热影响半径,在一定建筑负荷条件下,能够减少土地占用面积。混合酸和油酸共同回填时两者会产生相互影响,混合酸和油酸以4∶6配比时土壤热影响半径最小,实际建筑采用时要考虑地区适应性,并根据建筑冷热负荷条件选取合适配比。添加铁屑强化PCM换热会使热影响半径增加,但同时也显著增加了单井总换热量,对地埋管换热器的蓄能传热性能均有提升,但较大的导热系数会使运行期间土壤温升较大,无法及时完成相变恢复过程。
  本文的研究目的旨在探讨采用相变材料回填对地埋管换热器蓄能传热特性的影响,并给出其影响因素及规律,以期为相变材料回填地埋管换热器的进一步深入研究提供理论与实验的依据。
[硕士论文] 任杰
材料物理与化学 兰州交通大学 2018(学位年度)
摘要:太阳能热发电以其能量转换效率较高、电力输出平稳、生产能耗低、使用时无污染、通过储热能连续24小时发电等优势,近年来受到人们的高度重视。太阳能吸收膜作为太阳能热发电的关键材料,要求其能将在可见光-近红外光波段内太阳辐射能量高效吸收转化成热能、而在红外波段具有高反射(低热发射比)以尽可能降低所吸收热能的辐射损耗。由于太阳能吸收膜是由多层纳米功能膜层组成,各功能层成份、结构与厚度等因素变化均对太阳能吸收膜光学性能产生显著影响。本文基于计算机模拟软件开展太阳能吸收膜膜系结构的设计与优化,分析各功能层成份、结构与光学厚度等因素变化对其光学性能的影响规律,以期为生产实践环节中制备太阳能吸收膜提供指导作用。
  首先基于Matlab软件平台,自主开展了太阳能吸收膜模拟设计程序的编制,以W-Al2O3系太阳能吸收膜为例,采用正交实验方法将影响该膜系结构的关键因素设定为六因素五水平L25(56),通过软件模拟运算,模拟出不同组合条件下太阳能吸收膜在0.3~25μm波长范围内的反射光谱,并计算出对应膜系的吸收比和发射比。研究结果表明,影响太阳能吸收膜吸收比最强的因素是d1即表面Al2O3减反射AR层的厚度,而影响该膜系823K发射比的最强因素则是d2即低填充因子金属陶瓷复合吸收层LMVF的厚度,六因素中按影响吸收比强弱程度依次排序为d1>f2>f3=d2>d3>d4,影响发射比强弱程度依次排序为d2> f2> f3> d3>d1>d4。
  将正交实验表中吸收比最高的组合和发射比最低的组合进行折中优化设计,获得具有较佳光学性能的膜系结构为50 nm Al2O3/40 nmW-·l2O3(f2=0.2)/50 nm W-Al2O3(f3=0.525)/120 nm W,其吸收比为0.929,823K发射比仅为0.072。以该膜系结构为基础,进一步采用模拟软件研究了单一因素的连续变化对太阳能吸收膜光学性能的影响规律。发现随着减反射层AR厚度d1的增加,太阳能吸收膜反射光谱的截止波长右移,吸收比呈先增长后降低的变化趋势,而发射比则单调增加;随着低填充因子金属陶瓷复合吸收层LMVF厚度d2的增加,吸收膜的反射光谱变化非常剧烈,截止波长右移,吸收比呈先增加后减小的变化趋势,而发射比单调增大;随着LMVF层填充因子f2的增加,吸收膜的反射光谱的截止波长左移,吸收膜吸收比与发射比均呈先增加后减小的变化趋势;随着高填充因子金属陶瓷复合吸收层HMVF厚度d3的增加,吸收膜的反射光谱截止波长不发生明显迁移,吸收膜吸收比渐渐增加最后趋于不变,发射比则单调递增;随着HMVF层填充因子f3的增加,吸收膜的反射光谱的截止波长轻微左移,吸收膜吸收比与发射比均呈单调减少的变化趋势;随着红外反射层IR厚度d4的增加,发现反射光谱的变化非常弱,当d4超过一定值后,吸收膜的反射光谱不发生明显变化,薄膜的吸收比与发射比基本不再变化。
  为了验证上述模拟设计结果的有效性和可靠性,本文以模拟设计中的最优化膜系结构为目标,采用磁控溅射镀膜设备在321镜面不锈钢基片上制备出相应的W-Al2O3系太阳能吸收膜;采用扫描电镜、原子力显微镜和X射线衍射仪等仪器分析了制备态太阳能吸收膜的微观组织与结构,采用紫外-可见-近红外分光光度计和傅立叶变换红外光谱仪测定了制备态太阳能吸收膜的反射光谱,计算出其吸收比为0.926,823K发射比为0.116,吸收比与模拟设计结果基本吻合,发射比稍高于模拟设计,产生误差的可能原因是制备过程中将高、低填充因子吸收层中均匀分布在陶瓷基质中的金属粒子进行了次微层近似处理。为研究制备态W-Al2O3系太阳能吸收膜的耐热性能,将其置于580℃真空炉中退火处理120小时,测定其吸收比为0.92,823 K发射比为0.072,退火态太阳能吸收膜中W膜平均晶粒尺寸由13nm长大为21 nm应是太阳能吸收膜发射比降低的主要原因。
[硕士论文] 韩涛
控制工程 内蒙古大学 2018(学位年度)
摘要:能源和环境是人类生存的条件,能源短缺和环境污染是世界难题。因此寻找绿色可再生能源是可持续发展的必经之路。太阳能发电是一种新兴的可再生能源,绿色环保,成本低廉,符合可持续发展。太阳能自动跟踪系统是根据光照角度和高度的变化,自动调节太阳能电池板,使太阳能电池板垂直光线,提高利用率,减少发电成本。
  本文设计一种太阳能自动跟踪系统。硬件包括光伏组件、光电传感器、云台、解码器,以及主控电路板。主控电路板设计包括原理图设计和PCB设计,设计好之后进行布局布线,并进行PCB制作和焊接。主控芯片采用STC12C5A60S2,外围电路设计主要有稳压电路、晶振电路、通信电路等。软件设计主要包括主程序设计、跟踪子程序设计、数据传输程序设计和电机控制程序设计。软件编程语言采用C语言,编程工具选择Keil uVision5,根据实际需要编写程序后通过下载器下载到PCB中。软硬件设计完成后,进行系统联合调试和分析。利用台灯模拟太阳光源,手动让40W和200W台灯转动,40W台灯未达到启动电压,系统不运行。200W台灯达到启动电压,系统正常运行,电路板驱动云台带动光伏组件转动,使光伏组件垂直光照。
  本系统可以在两个自由度上转动,包括水平方向转动和垂直方向转动。通过光电传感器检测到光照强度变化,输出电压信号,传输到电路板中。经过电路板的比较分析,电路板发送控制信号到解码器,解码器驱动云台带动光伏组件向光照强度大的方向转动,使光伏组件垂直光线,实现自动跟踪的效果。
[硕士论文] 陈阳
机械工程 重庆交通大学 2018(学位年度)
摘要:随着人类科学技术的进步发展,传统能源已不能满足社会的需求,新能源技术发展迅速,已在现代电力系统中已占据了了相当大的比例。其中,光伏发电因其清洁、储存量巨大、分布广泛等优势,更是受到了众多国家的广泛应用。但是由于光伏电池发电容易受到外部因素的影响,其输出功率会出现无规律的波动,这使得其难以稳定的提供电能。飞轮储能是一种利用驱动电机带动飞轮旋转将电能转换为飞轮动能的新型储能方式,相比传统化学储能方式,其具有储能密度高,工作时限长,运行时不造成污染等特点,具有很大的应用潜力。本文以独立太阳能飞轮储能系统为研究对象,针对在储能阶段太阳能飞轮储能系统的效率问题,对利用飞轮系统稳定光伏电池阵列直流母线电压为负载提供稳定电压,并将供给负载过后剩余的能量存储到飞轮系统中的控制方法进行了研究。
  本文首先,对飞轮系统的结构及原理进行了介绍,通过对比各种常用飞轮电机优缺点,结合光伏发电的特点选择结构简单、容易维护且性价比高的异步电机作为飞轮驱动电机。
  其次,根据光伏电池的原理及其不同条件下的输出特性搭建了光伏电池的仿真模型;对比各种常用最大功率追踪算法,提出了一种基于粒子群算法整定PID参数改进的扰动观察法作用于光伏电池,实现对光伏电池的最大功率追踪控制;接着,根据光伏发电输出功率多变的特点,飞轮电机控制方法选择具有较快响应性且对电机参数依赖较小的直接转矩控制技术,对其原理进行了分析,并在Matlab/Simulink中建立了异步电机直接转矩控制仿真模型;对飞轮系统储能阶段的控制进行了研究,根据光伏阵列输出功率、负载功率及直流母线实时电压作为参考计算异步电机直接转矩控制的参考转速、参考磁链,使得飞轮系统在储能过程中能够跟踪光伏阵列输出功率的变化,在保证直流母线电压稳定条件下,使得负载功率、光伏发电功率及飞轮储储能之间维持平衡;当异步电机转速达到其额定转速时,对电机进行弱磁控制,实现恒功率下的电机加速旋转,最大化的将多余的能量转存到飞轮系统中,提高光伏发电电能的利用率。
  最后,在Matlab/Simulink中建立了太阳能飞轮储能控制系统模型并进行仿真,结果表明本文所提出的控制方法能够较快的响应外界环境的变化,提高了能量利用率,具有一定的实用性。
[硕士论文] 苏飚
机械工程;车辆工程 重庆交通大学 2018(学位年度)
摘要:排放是发动机性能的重要指标,使用替代燃料是一种降低发动机排放的有效方式。多种替代燃料的混合使用,可以通过合理选择燃料和掺烧比例以及优化发动机喷油进气等参数,在发动机动力性损失不大的情况下,保证发动机的排放性能,且通常替代燃料的经济性高于传统燃料。
  因此,本文在调研分析多燃料发动机的研究背景、意义以及发展现状的基础上,研究了不同物态多种燃料确定最佳掺烧比例的理论与方法和最佳掺烧比例下多燃料发动机排放和性能,并分析最佳掺烧比例下多燃料发动机进气过程中进气道和缸内的速度场与湍动能场,具体工作如下:
  首先,根据原机主要结构参数,利用CATIA和ICEM软件分别建立了发动机几何模型和网格模型。根据均匀设计的思想,设计了15种不同工况的均匀实验,通过分配燃空比实现多燃料掺烧比例的分配,利用有限体积法和动网格技术,借助FLUENT对多燃料发动机进行数值模拟,得出15种不同工况下发动机扭矩值以及CO、NOx、HC、Soot排放值。
  其次,利用打分法确定了低转速中等负荷、中等转速中等负荷、高转速中等负荷三个工况下扭矩、CO、NOx、HC、Soot各项功能指标的权重。根据价值工程基本原理,计算出三种工况下成本系数和功能系数,得出价值系数,从而得到了三种工况下的最佳掺烧比例。采用这三种工况下各自的最佳掺烧比例,选取发动机负荷为50%,与原机的动力性与排放相比,扭矩略差于原机,但动力性损失不大,CO、NOx、HC、Soot排放均较原机有所改善,排放性能提高。
  最后,通过对进气过程中进气道和缸内的速度场与湍动能场的分析,得到了发动机进气过程中进气道和缸内的涡流变化。进气门杆两侧产生的两个流速较大的涡流和进气门杆下方形成的流速较小的涡流,对发动机缸内气体的混合和燃烧起着非常有利的作用。
[博士论文] 郑毅
化学工程 大连理工大学 2018(学位年度)
摘要:薄液膜蒸发换热,具有传热温差小、热流密度高、传热系数高、均温性好、结构简单和动力消耗低等优点,被大量应用在石油、化工、制药、海水淡化、航天等领域。其中,水平管降液膜蒸发技术因具有传热效率高、耐结垢以及可利用低品位余热等优点,广泛应用于大型工业生产中,是解决能源消耗大、排放污染物严重等问题的一种高效换热技术。近年来,随着对于环保和节能要求日益提高,利用低流量、小温差实现高效换热已经越来越受到学者的重视。低喷淋密度下的水平管降液膜蒸发,是一个伴随中液滴与液膜相互作用、相互影响的分区特征显著的复杂的界面演化过程。因此,深入认识降液膜蒸发过程中的液滴和液膜的分区特性以及其对传热特性的影响,对进一步探究降液膜蒸发的低喷淋密度传热控制机理和高效传热强化技术的开发具有十分重要的意义。
  为此本文聚焦于低喷淋密度下水平管降液膜蒸发全过程,通过理论分析,获得低喷淋密度下影响蒸发传热性能的关键因素;结合力平衡模型建立了水平管降液膜最小喷淋密度理论模型;并通过引入部分润湿表面的液膜厚度计算公式,提出低喷淋密度下利用亲水改造实现蒸发传热性能强化的新方法;利用氧化刻蚀法制备了两种润湿性不同的亲水表面:超亲水与一般亲水表面,观察了不同亲水表面的管间流型,测定了最小喷淋密度,最后通过引入了修正因子获得了与实验结果吻合良好的最小喷淋密度关系式。
  通过数值模拟,建立了普适的超亲水表面三维模型降液膜模型,实现了间断液滴和连续液液柱的准确再现。着重分析了超亲水表面滴状流和柱状流的铺展特性和涟漪波动特性,揭示了马鞍形液膜和相邻液柱撞击区的“相互作用环”形成原因;考察了喷淋Re数对液膜厚度和铺展速度的影响,发现喷淋Re数对滴状流液膜厚度和铺展特性影响不大,而对柱状流影响显著;探讨了三维液膜的轴向和周向液膜厚度演化规律,结果表明在轴向上柱状流液膜呈波谷-波峰-波谷的分布形式,液膜厚度在中间汇聚区取得极值,在整个圆周角变化范围内,液膜厚度都几乎出现了翻倍现象。
  利用高精度红热像仪对低喷淋密度下超亲水表面水平管降液膜表面的温度分区和波动特性进行了研究,分析了喷淋密度、初始液膜温度以及加热功率对不同流型表面液膜温度分布的影响。结果表明,超亲水表面滴状流液膜温度呈现周期性分布,分为撞击区和非撞击区,撞击区和非撞击位置并不固定,存在明显变化周期,非撞击区液膜温度基本不变,撞击区液膜温度升温明显,且温升主要发生在铺展液膜达到最大后,撞击区内部存在高温环状结构,其比主体温度高0.3-0.6K左右;柱状流液膜温度呈现均匀分布,在相邻液柱交汇区存在明显的低温区分界线,较主体低0.2K左右;处于中间的过渡流型具有两种温度分布—均匀分布和周期分布共存。换热管表面的温度波动周期随喷淋密度和初始液膜温度的升高降低,波动强度随喷淋密度的升高存在一个显著下降区间,其对应流型从滴状流到滴柱过渡流的转换。
  结合红外示踪技术和统计学分析研究了超亲水表面低喷淋密度多液滴间的空间传递规律。发现液滴的产生并不是随机的,而是存在一定周期性,同时这种典型的周期性并不出现在全部范围内,只是在少数几个特殊流量才存在,重复单元数目随流量的增加而降低;利用能量最小理论和统计学分析获得了形成液滴周期性出现的原因,并给出了相关预测模型,与实验结果吻合良好,并基于此构建非稳态流动下的液膜厚度分布图。
  最后设计并搭建了水平管降液膜蒸发实验平台,考察了润湿性对水平管降液膜蒸发传热的作用机制,研究了喷淋密度、入口流量、入口温度和饱和温度等对传热性能的影响。结果表明,在低喷淋密度下超亲水表面传热系数高于亲水表面和光滑铜管,且在较宽的范围内具有良好的耐受性,最大约为光管表面的4倍,从而利用超亲水表面实现低喷淋密度下的传热强化,为新型强化换热表面的设计和开发提供了理论指导和实验基础。
[硕士论文] 管国祥
供热、供燃气、通风及空调工程 兰州交通大学 2018(学位年度)
摘要:自然对流换热过程广泛存在于各种工业生产及工艺处理中。其中,对侧壁加热封闭腔内自然对流传热特性的研究有诸多的工业需求,相关的研究一直以来是流动与传热领域的热点。在封闭腔内壁上布置翅片,通过影响边界层结构及发展来模拟封闭空间中电子元器件的冷却问题,对于优化工业设计、延长电子元器件的使用寿命具有重要的研究价值。本文基于这样的工程应用背景,就封闭腔内侧壁布置矩形翅片的数量、位置、材质、内置热源等对腔内自然对流与辐射耦合传热的综合影响进行了研究(Ra=1.58×109)。本文所做的主要工作如下:
  (1)利用IFA300型热线风速仪和热电偶同时测试测点的平均速度和平均温度,获得自壁面向腔体核心区速度和温度分布随高度的变化情况,结果表明:平均温度随高度的增加而逐渐升高,速度边界层和温度边界层沿壁面向上逐渐变厚。
  (2)数值分析了单个导热翅片和绝热翅片位于热壁面不同位置时对腔体内部对流和传热的影响。结果表明:封闭腔内无热源和有内置热源两种情况下,导热翅片位于自底面沿热壁面向上1/3高度处时,热壁面平均Nu数最大,壁面与腔体内部的传热效率最高,腔体内部流体的对流换热能力最强;绝热翅片位于自底面沿热壁面向上1/6高度处时,热壁面平均Nu数最大,壁面与腔体内部的传热效率最高,腔体内部流体的对流换热能力最强。
  (3)在热壁面、冷壁面分别布置一个翅片,数值分析了翅片位置、翅片材质对腔体内部对流和传热的影响。结果表明:封闭腔内无热源和有内置热源两种情况下,无论导热翅片还是绝热翅片,当翅片位于热壁面1/3高度处、冷壁面2/3高度处时,热壁面平均Nu数最大,壁面与腔体内部的传热效率最高,腔体内部流体的对流换热能力最强。
  (4)导热翅片位于热壁面1/3高度处时,随着壁面发射率增大,腔体半宽度处沿高度方向竖向速度变化幅度增大,腔体半高度处冷壁面附近水平速度变化不大,但热壁面附近水平速度逐渐变大;辐射对腔体半宽度处沿高度方向水平速度、平均温度的分布影响很微弱,但与不考虑辐射的情况相比,水平速度在顶面和底面附近的波谷值和波峰值相对较大,平均温度在底面附近明显升高;考虑辐射时热壁面下部区域的局部剪应力比不考虑辐射时要小。随着壁面发射率的增大,热壁面上部区域局部剪应力逐渐增大,且增大的幅度逐渐变小。当壁面发射率分别为0、0.3、0.6和0.9时,热壁面平均Nu数分别为84.14、117.75、158.65和206.12。
  (5)热壁面1/3高度处、冷壁面2/3高度处各布置一个导热翅片时,壁面发射率为0.6情况下,腔体半宽度处正的竖向速度较不考虑辐射时有明显的提高;当壁面发射率为0.9时,腔体半宽度处负的竖向速度较不考虑辐射时有明显的提高;考虑辐射时,腔体半宽度处沿高度方向水平速度、平均温度变化趋势基本一致,但与不考虑辐射的情况相比,水平速度在顶面和底面附近的波谷值和波峰值相对较大,底面附近的平均温度有明显升高的趋势;不同壁面发射率时腔体半高度处沿水平方向竖向速度、水平速度的变化趋势基本一致;考虑辐射时热壁面下部区域局部剪应力比不考虑辐射时要小,上部区域局部剪应力相对较大;当壁面发射率分别为0、0.3、0.6和0.9时,热壁面平均Nu数分别为88.17、124.40、165.16和212.69。
  本文初步研究了矩形翅片位置和数量、内热源、翅片材质以及壁面发射率对封闭腔内空气湍流自然对流传热特性的影响,但是要获得准确、实用的研究结果,还需做进一步的实验研究工作。
[博士论文] 茆志伟
动力工程及工程热物理 北京化工大学 2018(学位年度)
摘要:活塞式发动机是众多关键装备的核心动力机械,在车辆、船舶、电力和油气田勘探输运以及工程机械等国民经济重要领域有着广泛的应用。但恶劣的工作条件、复杂的机械机构、以及多变的工况状态使得活塞式发动机故障频发;部分机械故障的发生与发展较快,极易导致设备损毁。发动机恶性故障不仅会造成严重的经济损失,甚至导致人员伤亡,影响恶劣。目前普遍采用的活塞式发动机传统监测诊断方法已经越来越不能满足工业现场日益提升的实际诊断需求。因此,通过现代信号处理方法提取故障特征,并开展活塞式发动机监测诊断方法研究,进而在故障早期及时诊断故障,对提高活塞式发动机的运行安全性、可用性、及可靠性具有极其重要的意义和价值。
  本文以活塞式发动机为研究对象,以提高典型故障监测诊断水平及其工程应用效果为目标,从故障诊断机理特征的研究出发,通过动力学仿真计算及信号处理方法提取故障敏感特征,进而研究典型故障监测诊断方法及瞬变工况监测评估方法,并利用实验和工程实际故障数据进行方法验证。论文主要研究内容如下:
  首先,基于动力学建模仿真计算开展典型故障机理特征研究。分别针对气门间隙异常故障、连杆轴瓦敲击故障和传动轴系故障,建立三维实体模型和动力学仿真模型,通过模型参数调整和仿真参数设置进行故障仿真模拟,获取关键零部件动力学响应变化规律,捕捉故障机理特征,并通过实验实例和工程实例进行验证。
  其次,基于活塞式发动机信号特点开展信号处理及特征提取方法研究。提出了一种通过尺度参数控制包络线形状连续变化的振动信号包络方法,实现了振动包络线的平滑程度和紧致程度可连续调整,为振动信号的包络分析提供了新技术;同时将该信号包络方法引入到经验模态分解中,在信号筛选过程中优选包络线,提升了其自适应分解能力;此外,提出一种瞬时转速精确计算方法,为瞬时转速特征的准确提取和瞬变工况下角域精确重采样奠定基础。
  然后,基于典型故障动力学仿真研究结果,利用信号处理和特征提取方法,开展活塞式发动机典型故障监测诊断方法研究。分别提出了基于冲击起始相位精确提取的气门间隙异常故障诊断方法、基于变分模态分解的连杆小头轴瓦敲击故障诊断方法、以及基于多参数证据加权融合的失火故障诊断方法,并进行了实验验证。并对发动机典型故障在线监测与诊断系统的系统构架、测点布置和典型故障诊断算法进行了设计。
  最后,针对发动机非稳定工况,结合振动和瞬时转速在非稳定工况特点,基于瞬时转速角域精确重采样方法及特征提取方法,开展活塞式发动机非稳定工况监测评估方法研究。提取能够表征开机状态的角域振动冲击特征及瞬时转速敏感特征,提出基于灰色评价法的单缸做功能力监测评估方法和基于状态隶属度计算的整机启动性能监测评估方法,为发动机非稳定工况的监测评估提供了新途径。
[硕士论文] 魏昕辰
动力工程及工程热物理 北京化工大学 2018(学位年度)
摘要:应力分类法是当前应用较为广泛的分析设计方法,规范中清楚地定义了一次应力和二次应力,但是只凭借等效线性化的方法去处理应力分布曲线无法将一次应力和二次应力区分开,一次结构法能够很好地解决这个问题。基于ANSYS的一次结构法在平面模型中的应用已经趋于成熟,但其在三维结构上的研究仍是空白,目前尚未发现文献提及。本文研究将一次结构法的应用推广至三维结构有了突破性的进展,对当前讨论较多的圆柱壳开孔接管的应力情况进行分析,并给出新的校核方法。
  首先,本文以封头-内伸接管结构为例,介绍一次结构法在平面模型中的应用步骤和分析方法,介绍运用该方法正确地判断应力的来源、作用和性质,并做出合理的应力分类。
  其次,以椭圆封头-接管三维结构为调试模型,提出适用于三维模型的约束方程并验证其正确性。应用一次结构法对圆柱壳开孔接管进行应力分析,结果表明其原始结构是更合理的一次结构,连接环内壁处的最大薄膜加弯曲应力是一次应力,根据本文分析结果对圆柱壳开孔接管的校核标准进行修正,并采用新的许用极限进行应力校核和结构改进。
  最后,按工程项目中的校核方法对某卡箍式容器炉体上各接管的强度进行评定,强度满足要求。但使用修正后的校核准则评定后发现H1接管强度不满足要求,需要重新设计尺寸。接着通过构建炉体的一次结构,对内外壳体及靠近法兰侧的接管进行应力分类和评定。
[硕士论文] 王晗
动力工程及工程热物理 北京化工大学 2018(学位年度)
摘要:管式太阳能集热器是太阳能光热利用最常用的结构,制作成本低,集热条件便于控制,但仍存在集热效率低、单位面积太阳能利用率低的问题。近年来,大量学者致力于研究纳米流体在太阳能光热领域的应用,大大提高了集热介质的光热转换能力,但仍然存在着分散稳定性差、制备工艺复杂且成本高的问题,难以大范围推广。因此,提高集热介质性能、开发新型太阳能综合利用方法对太阳能光热利用的规模化应用具有重要意义。
  受中华墨颜色浓黑、性能稳定的启发,本文提出将中华墨应用于太阳能光热利用。将中华墨与质量分数相同的Cu、CuO和炭黑纳米流体进行对比研究,证明中华墨在分散稳定性及光热转换性能方面都具有优异的性能。对中华墨纳米流体进一步分析,发现微观上中华墨是一种骨胶包裹在炭黑颗粒表面的核壳结构集热介质,是具有表面双电层结构的胶体体系,这种结构对提高分散稳定性、改善光热转换性能方面起到重要作用。在中华墨的太阳辐射转换机理基础上制备了蛙卵仿生结构(BSMFE)集热介质,并通过实验证明其优异性能。
  在此基础上,依据植物对阳光选择性吸收的特性,本文提出光热农业这种太阳能综合利用新方法,将太阳能光热利用和绿色植物的种植结合起来,提高单位面积经济产值。针对该方法设计了多种类型的产业化装置。基于光热农业,提出单元组合转子动态集热器,并通过实验研究表明,加入转子后光热转换效率大幅提高,低流阻结构优于两叶片结构,黑色转子优于透明转子,流速对光热转换过程几乎无影响。
[硕士论文] 王薪
动力工程及工程热物理 北京化工大学 2018(学位年度)
摘要:螺旋缠绕波纹管换热器是将波纹管这种高效换热管应用到普通缠绕管换热器中,使得两种结构的优点充分发挥。这种新型换热设备除了强化传热特点以外,螺旋缠绕波纹管截面的周期性扩张和收缩可以使管内的污垢减少,同时单位体积的换热管可以获得更大的换热面积,使得设备紧凑,节省空间等等。但是由于目前这种换热器的应用还很少,各方面研究还有待深入。本论文以螺旋缠绕波纹管换热器为研究对象,对换热器管板的强度和流体的换热性能进行以下方面的研究,主要工作及创新点如下:
  (1)利用有限元分析软件ANSYS建立了包括螺旋缠绕管在内的整体换热器模型,对缠绕管换热器管束的支撑作用进行了数值分析,结果发现管束对管板的支撑作用可以忽略不计。为进一步分析缠绕管的轴向刚度,本文还定义且拟合出了螺旋缠绕换热管弹性模量等效系数的关联式。
  (2)利用分析设计的方法对缠绕管换热器管板的应力强度进行了数值计算,结果发现管板最大应力出现在管板边缘的圆弧过渡段,而管板其他部位的应力很小;在对管板进行轻量化设计的过程中发现中心部位的弯曲应力随着管板减薄而增大的趋势比较明显。
  (3)运用FLUENT软件对螺旋缠绕波纹管和螺旋缠绕圆管管内流体的流动状态及强化传热的特性进行了研究比较,对比两种换热管内部流体的流线云图、管壁面换热量云图、管横截面的温度云图、管横截面的湍流强度云图及管壁平均努赛尔数发现,螺旋缠绕波纹管管内流体的湍流强度更加剧烈,流体混合程度更加充分,传热效果优于螺旋缠绕圆管。
  (4)就螺旋缠绕波纹管的结构参数对管内传热的影响进行了单因素分析,结果表明:增大波纹管直径d、减小缠绕半径R、增大波高h、减小波距P均有利于管内流体的传热。并且通过正交试验的方法对螺旋缠绕波纹管的结构参数进行综合分析,分析后得出直径d对管内传热影响最大,其次是波距P、波高h和缠绕半径R,缠绕螺距S对管内传热影响最小,基本可以忽略不计,并且得到了模拟范围内结构参数的最优组合。另外还拟合了螺旋缠绕波纹管管内流体传热努赛尔数的关联式。
  (5)对螺旋缠绕波纹管换热器壳程流体的传热特性进行了数值模拟,并且通过单因素分析和正交试验分析研究了结构参数对壳程传热的影响,结果表明:影响壳程换热最大的因素为换热管直径d,然后是缠绕半径R和螺距S,影响最小的是波距P和波高h;在设计换热器时,采用较小直径、缠绕半径和波高、较大螺距和波距的螺旋缠绕换热管对壳程换热效果最佳。
[硕士论文] 温士杭
动力工程及工程热物理 北京化工大学 2018(学位年度)
摘要:在工业过程设备中,换热器占有举足轻重的地位。随着社会的不断进步以及自然资源的日趋枯竭,人们对节能环保提出了更高的要求。同时,为了进一步提高传热效率,高效换热器得到了广泛的应用,高效换热管作为高效换热器的重要组成部件也得到了更大关注。高效换热管是由光滑圆管轧制而成,其具有周期性变化的波纹或内外翅片结构。由于结构异于光滑圆管,高效换热管具有较高的传热效率。国内外学者对高效换热管的传热性能已经做了很多研究,但是为了保证高效换热管在使用过程中的安全性,对其力学性能的研究也尤为重要。本文针对缩放管、螺旋槽管、T型翅片管、菱型翅片管以及螺纹管这五种高效换热管的轴向刚度、承载能力、疲劳性能、金相组织和残余应力进行完整性研究,主要内容如下:
  (1)运用有限元模拟和实验验证相结合的方法,对五种高效换热管的轴向刚度进行研究。首先数值模拟在轴向拉伸载荷作用下五种管型的轴向变形情况,计算出其轴向刚度,并与同规格的光滑圆管刚度进行对比,定义出刚度等效系数。其次研究高效换热管各项结构参数与刚度等效系数之间的关系,拟合相应的计算公式。最后通过轴向拉伸实验,对所拟合公式进行验证。
  (2)对轴向拉伸载荷作用下五种高效换热管的轴向、环向、径向应力进行数值计算,得出管壁中的应力分布规律,并考察高效换热管结构参数变化对各向应力的影响。将五种管型的各向应力与同规格的光滑圆管在相同载荷下受到的轴向应力进行对比,定义高效换热管应力增大系数,并以高效换热管结构参数为变量拟合应力增大系数关系式,为高效换热管的工程应用和强度评定提供参考。
  (3)对五种高效换热管及光滑圆管进行疲劳拉伸实验、金相分析实验和残余应力分析实验,考察高效换热管轧制前后抗疲劳性能以及金相组织和表面残余应力的改变情况,为高效换热管安全评定以及制定高效换热管的轧制工艺提供参考。
[硕士论文] 赵桐
动力工程及工程热物理 北京化工大学 2018(学位年度)
摘要:板式换热器作为换热设备的重要类型之一,在工业中的应用越来越广泛。决定板式换热器性能最主要的结构因素之一是其板片的形式,利用有限元方法对板式换热器进行分析是目前最常用的手段之一。本论文采用有限元分析的方法,对斜方格板片结构的板式换热器进行流体流动和传热性能模拟,并在此研究基础上提出一种新型板片结构。主要内容如下:
  (1)以斜方格板式换热器为研究对象,利用有限元分析的方法,建立了板片间的冷热双流道的有限元模型,得到相应的计算结果,并将其与实验结果进行了对比,二者的误差在合理范围内,表明有限元模拟方法对板式换热器中的流体流动和传热分析是可信的。
  (2)研究了几何结构参数及其相互作用对斜方格板式换热器传热性能及流动特性的影响。采用正交实验分析得到了具有较好传热、流动和综合性能参数的最佳结构参数组合。
  (3)以传热性能与流动阻力为研究目标,以斜方格板式换热器为基础,开发了一种新型的菱形板式换热器。分别以传热系数、压降、综合性能指数和强化换热指数作为参照对象,将菱形板式换热器与原斜方格板式换热器进行了对比分析。结果发现相比于斜方格板式换热器,新型板片结构的传热系数在某些结构参数的组合下会更高,但压降也显著提高。二者可以分别适用于不同的工况。
[硕士论文] 贾雨川
机械工程 北京化工大学 2018(学位年度)
摘要:能源对当今社会经济发展起着重要的作用,而传统的化石能源因其保有量以及污染环境等因素,迫使人们逐渐发展新型能源。我国的新能源研究主要集中在潮汐能、太阳能、核能、风能、生物质能源等。目前,像风力发电、水力发电等已经拥有较为成熟的技术基础,而其中生物质能源中的生物柴油因其可以直接利用现有的设备,成为了近期发展的重要方向。
  微藻具有培养成本低、易生长、含油量高的特点,逐渐成为制备生物质能最适合的原料之一。相比开放式培养微藻,封闭式培养——光生物反应器具有培养密度高、易于控制且卫生条件高等特点被广大学者研究,而管式光生物反应器因其光照面积比高、易于搭建以及成本较低等优点被广泛关注,但目前仍然存在着气液混合效果差、光暗循环周期低、管壁遮光现象严重等问题。
  本文对小球藻培养技术、光生物反应器种类以及影响小球藻培养的因素进行介绍,并在传统管式光生物反应器管路中加入无动源式组合转子,一方面增强管内气液混合效果,使小球藻快速进入对数期,另一方面加大小球藻藻液流体湍流程度,加剧对管壁的冲击,使其减缓小球藻附壁现象产生,此外由于转子的转动加大了管内藻液径向流动,极大的提高了小球藻光暗循环周期。
  本文设计并搭建小型组合转子管式光生物反应器,通过初步实验发现,加入组合转子后,小球藻光密度、比生长速率均高于光管培养,此外光暗周期为18∶6实验组中的OD值和比生长速率分别比光暗周期为24∶1的对照组高17.1%和0.66%。因此,组合转子对于小球藻培养具有积极作用,且提高光暗循环周期同样有益于小球藻的生长。
  通过初步实验探究,本文设计并搭建了立式组合转子管式光生物反应器,并通过MATLAB软件,对管内流量和转子转速的关系进行拟合,得出组合转子转速对于微藻培养以及光源利用效率的影响。转子转速为270RPM时,比转子转速为148RPM的(OD)光密度值、比生长速率和生物量分别要高37.07%、12.3%和38.4%。
[博士论文] 何立臣
动力工程及工程热物理 北京化工大学 2018(学位年度)
摘要:管壳式换热器作为工业生产中的重要换热设备,广泛应用于石化、电力、冶金等领域,其换热性能的优劣直接影响到能源的使用效率。然而在实际应用过程中,换热器换热强度较低,换热表面结垢严重,造成了大量的能源浪费,给相关企业带来了巨大的损失。对此,国内外学者相继开发了如翅片管、波纹管、螺旋线圈、涡流发生器、螺旋扭带、组合转子等诸多的强化传热技术,以期提高换热设备的换热能力,抑制污垢沉积,实现节能降耗。其中,组合转子因兼具强化传热及在线自清洁的双重特性而拥有十分广阔的应用前景,但由于对其转动及扰流等基础特性认识不清以及对其强化传热及抗垢特性研究不足,其应用受到了极大的限制。
  本文综述了国内外各强化传热技术的研究进展,指出了各强化传热技术在抗污垢方面研究的不足;然后以组合转子为研究对象,采用实验及数值模拟的方法对其转动及扰流等基础特性和强化传热及抗垢特性开展了深入的研究,以期为组合转子强化传热及自清洁技术的工业应用奠定理论和技术基础。
  此外,本文结合组合转子在管壳式换热器强化传热及自清洁方面的独特优势,创造性地提出了将其应用于管式光生物反应器对微藻进行培养的方案,同时基于此设想开展了组合转子优化管式光生物反应器性能的初步研究,以期改善管式反应器固有的混合传质性能差、微藻附壁生长等问题,从而提高微藻的培养效率。本文主要研究工作如下:
  (1)组合转子基础特性研究
  首先介绍了转速测量的原理和方法,然后基于周期法的测速原理开发了组合转子转速测定装置,搭建了相应的转速测定实验台,相继考察了转子在管内所处轴向位置、管内流量、转子的导程、转子的外径以及转子的叶片数等因素对转子转速的影响规律,通过非线性曲面拟合得到了各类转子转速的实验关联式;接下来介绍了PIV(Particle Image Velocimetry,粒子图像测速)技术及其工作原理,然后搭建了PIV实验台,利用PIV技术对组合转子扰流作用下的管内的流场进行了实验研究,分别获得了横截面和纵截面内的速度场,分析了管内的湍流强度和径向速度变化情况,对比了转子的导程和叶片数对流场的影响,最后基于管内的流场情况对组合转子强化管内传热传质及混合的机理进行了总结。
  (2)组合转子强化传热及抗垢特性研究
  首先利用Gnielinski和Filonenko经验公式对强化传热综合性能实验台进行了校核,然后利用该实验台对新的孔型、圆槽型及切口型螺旋两叶片转子开展了湍流区的强化传热及阻力特性实验,分别获得了各新型转子的努塞尔数Nu、阻力系数f及综合评价因子PEC与雷诺数Re间的关联关系,分析了新型螺旋两叶片转子的综合强化传热性能;接下来对数值模拟方法尤其是湍流数值模拟方法进行了介绍,然后利用ANSYS FLUENT分别模拟了光管及螺旋两叶片转子管内CaCO3析晶污垢的沉积过程,验证了模拟方法的准确性,得到了螺旋两叶片转子管内污垢的沉积率、剥蚀率、净存速率及污垢热阻随时间的变化关系,揭示了螺旋叶片转子的强化传质及抗垢特性。
  (3)组合转子在微藻培养中的应用研究
  首先利用ANSYS FLUENT分别对光管及内置螺旋叶片转子管内的流场和微藻细胞的运动轨迹进行了数值模拟,分析了内置螺旋叶片转子管内的混合情况以及微藻细胞的受光特性;然后搭建了管式光生物反应器实验装置,开展了小球藻的对比培养实验,探究了螺旋叶片转子对管式光生物反应器培养小球藻的影响。
  综上,本文对组合转子的转动及扰流等基础特性、组合转子的强化传热及抗垢特性进行了较为系统地研究,旨在为组合转子强化传热及自清洁技术的工业推广应用提供理论和技术参考;同时,本文也对组合转子用于微藻培养开展了初步的研究,以期优化管式光生物反应器的性能,提高微藻培养效率,从而为实现微藻的规模化培养以及微藻生物质能的开发及利用提供新的方法和可能。
[硕士论文] 申亚丽
动力工程及工程热物理 北京化工大学 2018(学位年度)
摘要:本文针对单相水为工质的水平圆型管道实验段进行等比例建模,采用ICEM软件对几何模型构建六面体全结构化网格;以FLUENT平台上提供的模型为基础,依据水平管道的摇摆运动方式构造非惯性坐标系下的外力模型,以此建立适用于摇摆条件下水平管道内单相水流动与传热的数理模型。根据理论分析添加动量源项,编写自定义函数,并将摇摆运动规律与动量源项表达式加载到FLUENT接口上。对摇摆条件下水平圆管开展了三维非稳态数值模拟研究,分别采用具有时均化方法的两方程k-ε模型、七方程RSM模型、以及具有非时均化方法的大涡各亚格子模型,并将各计算结果与实验数据进行比较,最后确定了最佳模型即大涡WMLES S-Omega模型。在验证数学物理模型可靠性的基础上,对摇摆中的各工况下水平管道内单相流体进行流动与换热的LES数值模拟研究。
  本文分别对静止和摇摆工况进行了大涡模拟,分析了静止工况和摇摆工况下管内流体的流场分布以及瞬时速度场的变化规律,并进行了比较。通过受力分析推导出摇摆条件下管内摩擦阻力系数公式,重点分析了摇摆条件下测试段内的压降组成以及各瞬时压降的变化规律。
  采用壁面恒热流密度边界条件,研究了摇摆运动对传热特性的影响。分析了管道壁面、近壁面流体的瞬时温度变化规律以及平均对流换热系数分布,最后对静止和摇摆条件下出口流体的温度进行了比较。重点研究了摇摆周期、摇摆幅值、雷诺数以及摇摆半径等因素对流动与传热特性的影响。数值仿真计算结果表明:摇摆条件下,瞬时摩擦阻力系数、瞬时速度和瞬时温度随时间周期性波动,横截面上与摇摆轴平行的水平线上各位置的瞬时速度和瞬时温度波动周期为摇摆运动周期的一半,其他位置的瞬时速度和瞬时温度波动周期都与摇摆周期相同,瞬时速度和温度的波幅从横截面顶底两端向截面中间逐渐减小;当其他因素相同时,随着摇摆振幅的增大,速度波动幅度、测试段驱动压降、重位压降、切向压降、离心压降的峰值和波动幅值、摩擦阻力系数的峰谷值和平均值都逐渐增大,而壁面瞬时温度值、壁面温度波动幅值、时均值却都减小;当其他因素相同时,随着摇摆周期的增大,项部壁面瞬时温度的最大值、壁面温度变化幅值与时均值都增大,而各监测点平均速度、速度波幅、测试段驱动压降的变化范围、切向压降、离心压降以及摩擦阻力系数的峰谷值及平均值都减小;摇摆条件下随着流体雷诺数的增大,测试段内摩擦阻力系数和顶部壁面温度的波动幅值和平均值都减小。此外还发现摇摆半径越大,其摩擦阻力系数的波动范围越大,而摇摆半径对水平管内传热基本没有影响,这可以从一定程度上说明摇摆运动下科氏惯性力是影响水平圆管内传热的主要因素。
  摇摆条件下水平管道内会出现二次流,二次流是造成摇摆条件下流体流动传热与静止工况区别的重要因素。在海洋条件下,摇摆运动会产生周期性变化的附加惯性力,而附加惯性力的存在会引起流动与传热边界层的变化,最后造成了水平圆型通道内流动阻力以及传热系数的变化。
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