2021年, 第30卷, 第4期 刊出日期：2021-04-25
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热科学学报. 2021, 30(4): 1097-1107. https://doi.org/10.1007/s11630-021-1492-6摘要 ([an error occurred while processing this directive]) PDF全文 ([an error occurred while processing this directive])
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水泥行业煤炭消耗量大，氮氧化物(NOx)排放高，现有脱硝技术脱硝效率低，同时会造成严重的二次污染问题。本文提出了一种基于煤粉预热概念的燃料预处理方法，以降低水泥窑NOx排放。并通过设计实验台，验证该方法的可行性。实验结果表明，该方法燃烧效率高，运行稳定，NOx排放低。试验过程中，窑气NO还原效率最高可达91.4%，NOx排放最低为145 mg/m3 (@10%O2)。此外综合研究了关键参数对燃料型NOx排放和窑气NOx还原效率的影响。研究发现，一次和二次空气当量决定烟气中的氧含量和反应温度，影响燃料NOx生成和还原剂反应活性。增加还原区高度可以提高了窑气NOx还原效率，但同时会降低燃烧效率。此外，水泥原料对NOx的催化还原作用有限，但对燃料-NOx的生成有较大的加速作用。 -
热科学学报. 2021, 30(4): 1108-1115. https://doi.org/10.1007/s11630-020-1358-3摘要 ([an error occurred while processing this directive]) PDF全文 ([an error occurred while processing this directive])
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具备高焦化性能的兖矿煤很难通过直接燃烧进行利用。本文的主要目的是采用预热燃烧技术研究这种特性煤的燃烧特性和NOx排放特性。实验结果表明：兖矿煤粉在经历预热之后，其焦渣特性数从原来的5降低至1；在预热过程中，预热温度稳定在910℃左右，预热后的半焦粒径减小，孔结构和比表面积增加。在燃烧过程中，燃烧温度稳定在1100℃左右，且在本实验所研究的所有工况下其燃烧效率均能达到99%以上。在预热燃烧过程中，改变二次风喷口会影响NOx排放特性，中心喷口比环形喷口的NOx排放低112 mg/Nm3 左右，改变三次风空气的分配方式能将最终的NOx排放降低至 215 mg/Nm3 (@6% O2)，相应的燃料氮转化成NOx的比例是4.2%。本文的研究表明兖矿煤能通过预热燃烧技术实现稳定的燃烧，给兖矿煤的利用提供了一种的新的途径。
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热科学学报. 2021, 30(4): 1116-1131. https://doi.org/10.1007/s11630-021-1405-8摘要 ([an error occurred while processing this directive]) PDF全文 ([an error occurred while processing this directive])
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将半焦作为动力燃料用于电厂发电一种有潜力的利用途径。半焦由于其挥发分含量低，燃烧过程中存在着火稳燃困难、燃尽性能差、NOx排放高等问题。将半焦与烟煤共燃是缓解这些问题的可行策略之一。然而，目前关于半焦与烟煤的共燃特性和交互影响仍处在探索阶段。同时，二次风布置、锅炉运行负荷、燃料种类等因素对烟煤和半焦共燃过程的影响尚不清楚，有待进一步研究。本研究采用试验和数值模拟相结合的方法，探讨了半焦与烟煤的共燃行为和NOx排放特性。研究结果表明，当半焦掺量为33%时，由于半焦喷吹位置组合有限，小容量锅炉宜采用炉前预混的方法。当采用炉内掺烧的方法时，建议从中间层喷入半焦，以提高炉内整体燃烧性能。数值模拟结果表明SOFA风比率的临界值为27.5%，且SOFA风比例的提高会导致炉膛出口NOx浓度显著下降。SOFA风和周界风喷口应保持较大开度以减轻炉膛出口NOx排放量过高和喷嘴结焦的现象。在本研究所采用的变负荷运行条件下，随着运行负荷的降低，炉膛出口NOx浓度呈现出先升高后降低的趋势，燃尽率呈现出明显降低趋势。此外，不同配比的烟煤/半焦在炉内共燃时其燃烧特性也存在明显差异。高挥发分燃料（烟煤）燃烧产生的NOx主要受挥发分氮的影响，而低挥发分燃料（半焦）产生的NOx主要受焦炭氮的影响。本研究对半焦的高效、清洁利用具有指导意义，有利于粉末半焦在电厂的大规模实际应用。
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热科学学报. 2021, 30(4): 1132-1140. https://doi.org/10.1007/s11630-021-1441-4摘要 ([an error occurred while processing this directive]) PDF全文 ([an error occurred while processing this directive])
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喷动流化床是由传统流化床演变而来，同时具有喷流床和流化床的特点。本文系统研究了喷动流化床富氧燃烧运行特性。实验结果表明，喷动流化床应用于富氧燃烧是可行的。在实验过程中，系统从空气燃烧向富氧燃烧过渡平稳，烟气中CO2浓度稳定且高达90%（干基）。此外，本文还详细探究了喷动流化床富氧燃烧床下进料对NO排放的影响。实验结果显示，提高反应温度可以抑制NO排放。床料量同样对NO排放有重要影响，与浅床运行相比，深床条件下烟气中NO排放浓度较低。而且，粒径也会改变NO排放特性。与煤粉相比，提高燃料粒径能够使得煤颗粒与床料混合更加均匀，这会有效抑制NO排放。此外，添加石灰石会增加NO生成，不利于富氧燃烧系统NO排放控制。
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热科学学报. 2021, 30(4): 1141-1150. https://doi.org/10.1007/s11630-021-1474-8摘要 ([an error occurred while processing this directive]) PDF全文 ([an error occurred while processing this directive])
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为研究CO2气氛对平凉煤和麦秆热解过程中燃料氮向NOx前驱物（主要是NH3和HCN）的转化特性，在流化床反应器上开展了平凉煤、麦秆及其混合燃料在750-850°C温度区间内的热解实验。实验结果表明：平凉煤和麦秆由于含氮结构的差异，其热解NOx前驱物生成特性不同。CO2气氛显著抑制热解NH3生成。对于HCN，二氧化碳气氛抑制平凉煤热解HCN，对麦秆热解HCN表现出促进作用。二氧化碳气氛抑制平凉煤和麦秆单独热解NH3 + HCN总氮转化率，使更多的燃料氮转化为焦油氮和N2氮。对于平凉煤和麦秆混合热解，混合热解协同效应影响热解NH3和HCN生成的选择性。混合热解协同效应促进共热解HCN生成，对共热解NH3生成有相反的影响。平凉煤和麦秆的协同效应促进二氧化碳气氛下NH3 + HCN总氮转化率，相反，协同效应抑制氩气气氛下NH3 + HCN总氮转化率。此外，平凉煤和麦秆的协同效应抑制环境无害的N2生成，更多的燃料氮被保留在半焦中。
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热科学学报. 2021, 30(4): 1151-1159. https://doi.org/10.1007/s11630-020-1330-2摘要 ([an error occurred while processing this directive]) PDF全文 ([an error occurred while processing this directive])
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为了研究燃气采暖热水炉的NOx影响因素，本文选取一台最大和最小额定热输入分别为26.0 kW和11.0 kW样品进行相关测试，分别分析了挡风圈尺寸、风机功率、喷嘴引射距离、喷嘴直径和空气湿球温度对NOx的影响。结果显示，随着烟管出口处挡风圈尺寸的增加，额定热输入时的NOx和(NOx)pond分别降低了26.9%和5.9%，随着烟管进气口处挡风圈尺寸的增加，额定热输入时的NOx和(NOx)pond分别降低了36.5%和16.0%，随着风机功率的增加，额定热输入时的NOx和(NOx)pond分别降低了48.4%和16.1%，随着引射距离的增加，额定热输入时的NOx和(NOx)pond分别降低了7.7%和6.8%，随着喷嘴孔径的增加，额定热输入时的NOx和(NOx)pond分别降低了5.2%和2.3%，随着相对湿度的增加，额定热输入时的NOx降低了16.4%，而(NOx)pond则基本维持不变。氮氧化物影响因素的分析可以为燃气采暖热水炉实现产品低氮优化提供参考。
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热科学学报. 2021, 30(4): 1160-1173. https://doi.org/10.1007/s11630-021-1495-3摘要 ([an error occurred while processing this directive]) PDF全文 ([an error occurred while processing this directive])
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实验研究了扁平状分层CO2/O2射流对热声不稳定性和NOx排放的影响。为了探讨喷射位置对火焰稳定性的影响，选取了CO2/O2气体的喷射高度和喷射方向两个因素。结果表明，喷射位置显著影响热声振荡控制效果。在第一层水平方向上，热声振荡的最佳振幅阻尼比可达76.61 %，声压幅值由56 pa下降到13.1 pa，垂直方向第一层NOx排放浓度衰减率可达66.67 %。随着射流横向流速的增加，NOx排放浓度从50.4 mg/m3下降到16.8 mg/m3。分层CO2/O2射流介质的含氧比例越高，NOx排放量越低，但燃烧不稳定振幅越高。不同喷射位置的NOx排放下降梯度不同，在射流过程中出现了声压和火焰热释放速率的模态迁移现象，热声振荡频率随CO2/O2射流流量的增加而降低。使用CO2/O2射流后，原有不稳定的长火焰被驱散，火焰长度的变化曲线类似于半马鞍线的形状。本研究采用射流方法对热声不稳定和NOx排放进行控制，有助于工业预混燃烧器的清洁安全燃烧。
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热科学学报. 2021, 30(4): 1187-1198. https://doi.org/10.1007/s11630-021-1460-1摘要 ([an error occurred while processing this directive]) PDF全文 ([an error occurred while processing this directive])
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转子发动机是理想的电动汽车增程器。然而，在上止点时转子发动机的狭长燃烧室对火焰传播不利，导致燃烧不充分污染物排放增加。为了改善其燃烧效率和排放性能，搭建了乙醇/汽油双燃料转子发动机实验台架，研究了不同乙醇掺混比例下汽油转子发动机的燃烧和排放性能。实验结果表明， 在不对喷油脉宽做任何调整时，由于乙醇的热值低且汽化潜热高，在汽油中掺入乙醇会使混合燃料的热值降低，汽化所需要热量增加，导致峰值压力有所降低。掺混比例增加到30%时，压力曲线出现双峰。在理论过量空气系数下，在汽油中掺混少量乙醇可以增大燃烧放热速率，缩短燃烧持续期，同时降低HC、CO、NOx排放以及怠速循环变动。乙醇掺混比例过大反而会使NOx排放增多、循环变动变大。当乙醇掺混比为15%时，既能有较好的做功能力，又能保持较低的循环变动和排放。
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热科学学报. 2021, 30(4): 1199-1211. https://doi.org/10.1007/s11630-020-1268-4摘要 ([an error occurred while processing this directive]) PDF全文 ([an error occurred while processing this directive])
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Hydroxy gas (HHO) is one of the potential alternative fuels for spark ignition (SI) engine, notably due to simultaneous increase in engine performance and reduction in exhaust emissions. However, impact of HHO gas on lubrication oil for longer periods of engine operation has not yet been studied. Current study focuses on investigation of the effect of gasoline, CNG and CNG-HHO blend on lubrication oil deterioration along with engine performance and emissions in SI engine. HHO unit produces HHO gas at 4.72 L/min by using 6 g/L of KOH in the aqueous solution. CNG was supplied to the test engine at a pressure of 0.11 MPa using an electronically controlled solenoid valve. Engine tests were carried out at different speeds at 80% open throttle condition and various performance parameters such as brake power (BP), brake specific fuel consumption (BSFC), brake thermal efficiency (BTE), exhaust gas temperature and exhaust emissions (HC, CO2, CO and NOx) were investigated. In addition, various lubrication oil samples were extracted over 120 h of engine running while topping for drain out volume and samples were analyzed as per ASTM standards. CNG-HHO blend exhibited better performance i.e., 15.4% increase in average BP in comparison to CNG, however, 15.1% decrease was observed when compared to gasoline. CNG-HHO outperformed gasoline and CNG in the case of HC, CO2, CO and brake specific fuel consumption (31.1% decrease in comparison to gasoline). On the other hand, CNG-HHO produced higher average NOx (12.9%) when compared to CNG only. Furthermore, lubrication oil condition (kinematic viscosity, water contents, flash point and total base number (TBN)), wear debris (Iron (Fe), Aluminum (Al), Copper (Cu), Chromium (Cr)) and additives depletion (Zinc (Zn), Calcium (Ca)) presented a significant degradation in the case of CNG-HHO blend as compared to gasoline and CNG. Lubrication oil analyses illustrated 19.6%, 12.8% and 14.2% decrease in average viscosity, flash point and TBN for CNG-HHO blend respectively. However, average water contents, Fe, Al and Cu mass concentration appeared 2.7%, 25×10−6, 19×10−6, and 22×10−6 in lubrication oil for CNG-HHO respectively.
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热科学学报. 2021, 30(4): 1212-1223. https://doi.org/10.1007/s11630-020-1347-6摘要 ([an error occurred while processing this directive]) PDF全文 ([an error occurred while processing this directive])
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为了优化燃烧器结构，提高燃烧性能，降低NOx排放，采用自循环低NOx燃烧技术设计了一种新型烟气自循环低NOx燃烧器。基于之前对燃烧数值模型和混合气体组份对燃烧和NOx排放的研究，本文采用正交试验方法分析了各种因素对烟气自循环结构引射系数的影响，并通过三维有限元数值模型对预热温度和过量空气系数等燃烧器运行参数进行了深入研究。结果表明，喷口轴心距和烟气自循环结构圆柱段长度对其引射和混合能力有很大影响。最佳引射系数为0.4829。总体而言，预热温度由973K升高至1573K时，排放的NOx体积分数由6.23e-6升高至3.5e-3。当过量空气系数从1.2降至1时，最高燃烧温度从2036.3 K降至1954.22 K，NOx排放量从352.29e-6降至159.73e-6。
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热科学学报. 2021, 30(4): 1224-1236. https://doi.org/10.1007/s11630-021-1414-7摘要 ([an error occurred while processing this directive]) PDF全文 ([an error occurred while processing this directive])
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为解决自回流燃烧器NOx减排效率低的问题，本研究基于自回流燃烧器结构参数和热力参数协调控制的概念。在完成结构设计和热力参数优化后，我们继续调整两个关键结构参数：喷口轴心距和圆柱段长度，以最大限度地降低NOx排放。这两个参数主要影响烟气和燃料气的混合。结果表明，增大喷口轴心距可以延缓燃气与空气的混合，为燃烧过程创造更均匀的氧浓度场。最高燃烧温度由1973.65K降至1935.88K，烟气中NOx的体积分数由188.08×10-6降至143.47×10-6。但是，与喷嘴轴线距离相比，燃烧器圆柱形截面的长度对流场的混合影响不大。在不同的柱形截面长度下，最大燃烧温度变化不超过3K，烟气中NOx的体积分数变化在5×10-6以内。
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热科学学报. 2021, 30(4): 1237-1250. https://doi.org/10.1007/s11630-021-1484-6摘要 ([an error occurred while processing this directive]) PDF全文 ([an error occurred while processing this directive])
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采用氮气低温吸附法、扫描电镜和FTIR方法研究了O2/CO2气氛下神华煤燃烧过程中不同阶段煤焦孔隙结构和官能团的演化情况，分析了不同入口氧浓度下煤焦孔隙结构、含氧官能团与NO生成特性的关系。结果表明：煤粉颗粒整体孔结构和形状随着燃烧的进行不断变化，煤焦表面总孔数量、含氧官能团呈多峰变化并与NO生成相关；氧浓度对煤焦粒径变化及含氧官能团及NO的生成均有较大的影响，存在一个含氧官能团对NO的还原效果最佳的氧浓度。
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热科学学报. 2021, 30(4): 1251-1267. https://doi.org/10.1007/s11630-021-1475-7摘要 ([an error occurred while processing this directive]) PDF全文 ([an error occurred while processing this directive])
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由于超临界二氧化碳（sCO2）燃煤动力循环的要求，进入锅炉的sCO2温度较高，极易引起炉膛内冷却壁超温。同时，为了消除压降惩罚效应，sCO2锅炉换热面由多个模块组成。对于不同的模块，管外接收的炉侧热流密度（q）不同，管内通流的sCO2工质温度（Tf）不同。本文旨在寻求炉侧与管侧（或“锅”侧）耦合的最佳匹配策略，以获得最低的管壁温度。从理论上分析了q、Tf和综合热阻C对壁温的影响，提出了两种匹配方法：高q值与低Tf相匹配的热流-温度匹配法（HTM），及高q值与高许用q值（许用q值即管壁温度等于许用温度时对应的热流密度值）相匹配的热流密度-热流密度匹配法（HHM）。HTM是一种传统的方法，HHM是本文提出的创新型匹配方法。结果表明，如果不同的模块具有相同的C值，则两种方法是一致的；否则，建议使用HHM。对于发电容量1000 MWe电厂的sCO2锅炉，HHM可获得更低的冷却壁温度。在HHM的基础上，综合采用冷却壁中隔墙、管内强化传热、下降流等措施，显著降低了壁温。
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热科学学报. 2021, 30(4): 1268-1277. https://doi.org/10.1007/s11630-021-1451-2摘要 ([an error occurred while processing this directive]) PDF全文 ([an error occurred while processing this directive])
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本文主要研究了添加0-8%体积分数的H2，0-8%体积分数的N2以及4%/4%体积分数的H2/N2对CO/CO2火焰的结构，火焰温度以及火焰中CO2浓度的影响。利用一套基于可调谐二极管激光吸收光谱(TDLAS)技术的燃烧诊断系统来同时测量火焰温度和火焰中的CO2浓度。这项工作模拟了转炉煤气在工业湍流部分预混燃烧器中的燃烧。结果表明：在CO/CO2中添加0-8%的H2和在CO/CO2/N2(4%)中添加4%的H2时，火焰长度比添加等量N2的更长。在CO/CO2和在CO/CO2/N2(4%)中添加4%的H2时，火焰中的反应增多，高温反应区变大。在CO/CO2/H2(4%)中添加H2至8%，在CO/CO2中添加0-8%的N2和在CO/CO2/H2(4%)中添加4%的N2对火焰高温反应区的影响很小。添加H2促进了火焰中CO2的生成，导致CO2浓度的增加，其对CO2浓度的影响比添加N2导致的CO2浓度的降低更显著。
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热科学学报. 2021, 30(4): 1278-1288. https://doi.org/10.1007/s11630-021-1461-0摘要 ([an error occurred while processing this directive]) PDF全文 ([an error occurred while processing this directive])
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Methane-air diffusion filtration combustion in a radiative round-jet burner was numerically investigated in this work. The purpose of this study was focused on the effects of porous media porosity and gas velocity on temperature distribution and CO and NOx emissions. Reduced chemical kinetics was used where air and methane were assumed to be at their stoichiometric ratio, while thermo-physical properties were varied per the solid matrix porosity variation. Combustion characteristics were evaluated based on conduction and radiation as the two primary heat transfer modes within the solid matrix. Numerical simulations were carried out based on a packed bed with 3 mm alumina pellets. Results show that combustion temperature increases while the temperature gradient decreases with the increase in porosity, yielding higher NOx, and lower CO emissions. Furthermore, the combustion temperature is the lowest and most uniformly distributed with 1 m/s and 3 m/s gas velocities, wherewith 3 m/s gas velocity, combustion occurs outside of the porous zone. The corresponding NOx and CO emissions are the lowest with 1 m/s gas velocity and increase with the increase in gas velocity from 1 m/s to 10 m/s.
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热科学学报. 2021, 30(4): 1289-1301. https://doi.org/10.1007/s11630-021-1490-8摘要 ([an error occurred while processing this directive]) PDF全文 ([an error occurred while processing this directive])
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双回路全温全压超临界CO2换热器综合试验平台可用于研究百千瓦级的冷却器模块，在所有实验测试情况下，冷却器总传热量在64.5 kW至81.6 kW变化，超临界CO2压降在32.8 kPa至87.9 kPa之间变化，水侧压降在22.9 kPa至58.2 kPa之间变化。冷却器超临界CO2出口温度接近拟临界点时物性变化比两侧流量影响更加重要，并且热物性对传热性能的作用效果要比流动特性的作用效果强。以测试平台所测得的冷却器实验数据为基础进行数值模拟，采用的标准k-ε模型与实验数据吻合良好，并分析了其内部的流动传热规律和强化传热机制。结果发现：超临界CO2的温度沿流动方向非线性变化，冷却器内部会出现夹点效应；两侧质量流量的变化对超临界CO2努塞尔数峰值出现的位置有至关重要的影响，但是只有超临界CO2质量流量会影响峰值大小的变化；曲率半径对通道拐角处的二次流的影响不可忽略，曲率半径越小，速度场和温度梯度场的协同性越好，冷却器总传热量和压降越大，在考虑综合性能的情况下曲率半径为1 mm时最合适。最终为使实验和数值模拟结果更具有普适性，发展了超临界CO2经验关联式，并对其进行了验证，该经验关联式在普朗特数剧烈变化时更加适用。
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热科学学报. 2021, 30(4): 1302-1317. https://doi.org/10.1007/s11630-021-1478-4摘要 ([an error occurred while processing this directive]) PDF全文 ([an error occurred while processing this directive])
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水平管降膜蒸发作为一种高效节能的热交换技术，在制冷和空调领域具有广阔的应用前景。本文建立了水平单管外和蒸发器内降膜流动蒸发的三维模型，并通过比较验证了流动和传热模拟过程的准确性。对于水平单管，结果表明，总传热系数较低，并且随着较大的喷雾密度和蒸发温度而增加。管外液膜厚度随管径的增加而逐渐减小，小管径的总传热系数明显大于大管径。随着液体分布高度和密度的增大，总传热系数呈现增加趋势。另外，随着更大的液体分布密度，管轴向液体膜厚度分布的波动减小。对于蒸发器，结果表明部分液态制冷剂被带入蒸汽出口。管壁和流体的温度在垂直向下的方向上呈现出逐渐升高的趋势，而在同一水平行和横向行内的管壁温度几乎没有差异。随着制冷剂喷雾密度的增加，换热管外壁上的高温区向入口移动并逐渐降低，管内水的出口温度也逐渐降低。换热管在垂直方向的局部传热系数呈下降趋势，喷雾密度越小则越明显，水平管排在上管排中间和下管排两侧明显较高。
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热科学学报. 2021, 30(4): 1318-1327. https://doi.org/10.1007/s11630-021-1491-7摘要 ([an error occurred while processing this directive]) PDF全文 ([an error occurred while processing this directive])
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环路热管 (LHP) 作为一种高效散热组件，在便携式移动电子产品中具有广泛的应用。然而，LHP小型化超薄化发展使得其内部工作流体回流阻力的显着增加，传热性能迅速下降。本研究针对这一问题，将梯度润湿性表面（SWG）引入超薄环路热管，借助ANSYS瞬态三维数值模型，综合研究了梯度润湿性表面对超薄环路热管传质传热性能的影响。本研究对有无梯度润湿处理的环路热管进行了多组仿真对比实验，结果显示梯度润湿性表面可以显著提高汽液循环效率并改善传热性。在4-6 W的热载荷下，相比于未经表面处理的环路热管，经梯度润湿处理的环路热管的启动时间缩短了11.5 %，热阻降低了约44.3 %。本研究为环路热管的小型化之后出现传热性能下降问题提供了有效的解决方案，同时为超薄环路热管的结构设计提供了理论参考。
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热科学学报. 2021, 30(4): 1328-1340. https://doi.org/10.1007/s11630-021-1480-x摘要 ([an error occurred while processing this directive]) PDF全文 ([an error occurred while processing this directive])
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干热岩作为一种可再生的可持续能源，可以有效缓解资源短缺和环境污染问题。本文基于恰卜恰地热田地质资料和建立的热-流-固耦合数学模型，提出了一种新型的水平-分层增强地热系统（EGS），并将其与传统的双竖井EGS进行了对比。在本文工况下，水平-分层EGS的综合采热表现明显优于双竖井EGS。具体来说，虽然在衰减阶段双竖井EGS的平均生产温度高于水平-分层EGS，但水平-分层EGS的热输出功率为6.10-12.25MW，是双竖井EGS的1.36-1.67倍。另外，水平-分层EGS的采热率比双直井EGS高6.63%，经济性更高。最后，通过参数分析研究了可控参数对水平-分层EGS采热的影响。热输出功率和采热率与压差和井间距成正比，与注入流体温度成反比。对热输出功率影响最大的是压差，其次是井间距和注入流体温度。压差和井间距对采热率的影响基本相同，注入流体温度对采热率无影响。
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热科学学报. 2021, 30(4): 1341-1348. https://doi.org/10.1007/s11630-021-1470-z摘要 ([an error occurred while processing this directive]) PDF全文 ([an error occurred while processing this directive])
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实验研究了轴向和周向非均匀热流密度下吸热器管内熔盐在Re数为16000-58000、Pr数为4.6-7.5范围内的对流传热特性，结果表明：熔盐的流速和流动方向、管壁非均匀热流密度直接影响熔盐传热。当镀铜层厚度和熔盐流速增加时，镀铜侧管外壁与熔盐的温差降低。Pr数较高时，入口段的平均Nu数大于中后段。逆流加热下镀铜侧轴向壁面温度差低于顺流加热，逆流加热吸热器管引起较小的轴向热应力。通过实验测量和Sieder-Tate公式，拟合得到基于周向热流比和轴向热流比的轴向和周向非均匀热流密度下管内熔盐的传热关联式，关联式与实验数据的最大偏差为5%。
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热科学学报. 2021, 30(4): 1349-1362. https://doi.org/10.1007/s11630-021-1485-5摘要 ([an error occurred while processing this directive]) PDF全文 ([an error occurred while processing this directive])
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作为一种前景广阔的能量转换技术，半导体热电转换器件在温度控制和制冷领域具有潜在的应用价值。热电制冷器瞬态超冷性能极其敏感于输入的电流脉冲，而传统用于调控的电流脉冲受限于规则波形约束，难以获得最佳的超冷性能。考虑到电流脉冲波形、波幅和脉宽等参数之间的强耦合性，同时寻优以上关键变量有望进一步改善热电制冷器超冷性能。为了打破传统规则脉冲波形的局限，本文提出了一种非规则电流脉冲波形的设计理念，并通过基于非支配排序遗传算法多目标优化证明了该原理设计的可行性。结果表明，非规则电流脉冲波形调控能实现瞬态持续超冷，经优化后非规则脉冲电流调控的器件有效制冷量和超调温度均表现出优异特性。与以往研究中使用较多的t0波形相比，器件有效制冷量和超调温度可分别提高88.33%和92.13%。性能改善对应的物理本质为，基于非规则电流脉冲波形控制的热电器件有效权衡了其中发生的帕尔贴制冷效应、焦耳热效应和傅里叶热传导效应。本文获得的非规则电流脉冲波形帕累托最优前沿有利于研究者和工程师根据实际应用偏好作出最适宜的设计决策。
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热科学学报. 2021, 30(4): 1363-1375. https://doi.org/10.1007/s11630-021-1448-x摘要 ([an error occurred while processing this directive]) PDF全文 ([an error occurred while processing this directive])
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非轴对称端壁作为一种有效影响端壁流场的方法，可以改善压气机叶栅的气动性能。对于高负荷低压压压气机叶栅V103，研究发现：与轴对称端壁相比，优化的非轴对称端壁在-3°、0°和3°攻角下的总压损失系数分别降低了4.57％、5.48％和3.04％。优化的非轴对称端壁通过改变轮毂附近的二次流结构，在吸力面附近产生角涡，从而抑制通道涡向吸力面的发展，减少了流动分离。当来流马赫数为0.62和0.72时，优化的非轴对称端壁的总压损失系数相比于轴对称端壁分别减少3.19％和4.58％。在不同的来流马赫数下，优化的非轴对称端壁虽然增加了叶栅轮毂附近的总压损失，但是显著降低了10％叶展以上的高总压损失系数的峰值和范围。此外，不同的攻角会影响叶栅轮毂附近的二次流流线和涡旋结构，而不同的来流马赫数几乎不影响二次流流线和涡旋结构。总之，对于高负荷压气机叶栅而言，多工况下优化的非轴对称端壁相比于轴对称端壁的气动性能更加出色。
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热科学学报. 2021, 30(4): 1376-1387. https://doi.org/10.1007/s11630-021-1488-2摘要 ([an error occurred while processing this directive]) PDF全文 ([an error occurred while processing this directive])
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对叶尖泄漏流动及损失的有效控制对提升涡轮气动性能具有重要意义。本文采用数值模拟方法研究了某单级跨声速凹槽叶顶高压涡轮的叶尖泄漏流动结构演化机制，探讨了叶顶肋条倾角、肋条宽度等几何参数对凹槽叶顶泄漏流动的影响。结果表明，凹槽内的刮削涡能起到类似气动篦齿的封严作用，与两侧肋条组成错齿式迷宫封严结构，对泄漏流有较好的阻塞作用；压力侧肋条外倾能抑制压力侧肋条角涡的发展，有利于扩大刮削涡的作用范围，能增强对泄漏流的阻塞作用；吸力侧肋条加宽能减小了间隙出口面的有效流通面积，使泄漏量降低，有利于对泄漏损失的控制；但压力侧肋条宽度增加会使压力侧肋条角涡增强，抑制刮削涡的发展空间，对泄漏流动的控制带来不利影响。
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热科学学报. 2021, 30(4): 1388-1405. https://doi.org/10.1007/s11630-021-1486-4摘要 ([an error occurred while processing this directive]) PDF全文 ([an error occurred while processing this directive])
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为研究高负荷压气机叶栅内叶片弯曲对流场尤其叶尖泄漏流的影响机理，本文设计了三组具有不同展弦比、不同弯角水平的高负荷压气机叶栅，并分别对无叶尖间隙、不同叶尖间隙尺寸的高负荷叶栅进行数值模拟。结果表明：叶片弯曲对展向压力梯度的影响局限于叶片前部，叶片前部和后部的质量流量在展向会发生不同形式的重新分布，对级反力度也有显著影响。叶尖泄漏流可消除直列叶栅的角区分离，但可增加弯曲叶栅的损失；叶片弯曲后叶尖泄漏质量流量增大22%，但blade-M和bladeE的叶尖泄漏损失分别减小43%和38%，其流动机理是主流速度、叶尖泄漏流速度的降低及两者速度差的减小。展弦比对弯曲叶片在高负荷压气机叶栅内的流动控制机理具有重要影响。随着展弦比的增加，高负荷弯曲叶栅的角区分离明显增大，需要更高的叶片弯角进行控制；与低展弦比叶栅相比，高展弦比叶栅可以诱导叶尖泄漏流沿弦向重新分布，从而降低泄漏流损失。
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热科学学报. 2021, 30(4): 1406-1420. https://doi.org/10.1007/s11630-021-1489-1摘要 ([an error occurred while processing this directive]) PDF全文 ([an error occurred while processing this directive])
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本文的研究目的是获得两种多畸变区影响轴流压气机性能和稳定性的机理。在本研究中，压气机进口畸变是由畸变发生器产生的，畸变发生器是一个放置在压气机转子通道上游的圆柱。五通道非定常数值结果表明，两种多畸变区的压气机性能均低于进口均匀的压气机性能，6×12度和6×24度进气畸变的压气机峰值效率分别比进口均匀的低大约3.5 %、9.2%。此外，两种多畸变区都降低了压气机的稳定性，6×12度和6×24度的进气畸变得到的失速裕度提升量分别为-2.93%和-6.11%。流场分析表明，应用多畸变区后，转子叶尖进口上游流动条件变差。由于进口畸变的不利影响，靠近机匣区域来流的轴向速度和气流角的值变小。因此，该区域的流通能力变低，并且在某些转子叶尖通道中出现进口堵塞。畸变范围越大，进口堵塞和相应的流动损失也越大。当多畸变区由6×12度变为6×24度时，部分叶尖通道靠近叶片吸力面的边界层出现明显的分离，并且严重的分离阻碍了来流进入叶尖通道。结果，在叶顶的前缘处产生了溢流。此外，随着畸变发生器数量增加1倍，在畸变发生器通过频率为1076.5Hz时，进口畸变对转子进口上游空气相对速度和静压幅值的影响增加了1倍。
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热科学学报. 2021, 30(4): 1421-1434. https://doi.org/10.1007/s11630-021-1483-7摘要 ([an error occurred while processing this directive]) PDF全文 ([an error occurred while processing this directive])
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本文构建了一种高效数值分析策略可实现以较少的计算代价可靠评估多级轴流压气机在复杂旋流畸变进气下的三维大尺度流场特征。该数值策略在彻体力方法的理论框架下，用分布源项代替复杂贴体网格法描述了一台旋流畸变发生器导叶及两级低速轴流压气机多排转/静叶片。以此构建的模型捕捉到的旋流畸变发生器产生的对涡旋流关键流动结构及第一级转子出口处主要气流角分布特征均与实验结果吻合较好，证明了该数值策略的有效性。此外，数值结果还清楚地揭示了稳态对涡旋流与压气机的相互作用过程。通过轴流压气机后，旋流畸变强度明显降低。但进口旋流对第一级叶片局部气动载荷影响显著，导致了气流流量的不均匀性以及总压/总温复合畸变。所诱导出的总压/总温复合畸变经过第二级作用后在叶尖附近显著衰减，在叶根附近略有增强。
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热科学学报. 2021, 30(4): 1435-1443. https://doi.org/10.1007/s11630-021-1472-x摘要 ([an error occurred while processing this directive]) PDF全文 ([an error occurred while processing this directive])
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The interaction between a shock wave and a boundary layer on a suction side of gas turbine profile, namely Transition Location Effect on Shock Wave Boundary Layer Interaction, was one of main objectives of TFAST project. A generic test section in a transonic wind tunnel was designed to carry out such investigations. The design criteria were to reproduce flow conditions on the profile in wind tunnel as the one existing on the suction side of the turbine guide vane. In this paper, the effect of film cooling and jet vortex generators on the shock wave boundary layer interaction and shock induced separation is presented. Numerical results for Explicit Algebraic Reynolds Stress Model with transition modeling are compared with experimental data.
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热科学学报. 2021, 30(4): 1444-1451. https://doi.org/10.1007/s11630-021-1477-5摘要 ([an error occurred while processing this directive]) PDF全文 ([an error occurred while processing this directive])
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为更好认识超临界二氧化碳压裂对页岩储层的改造效果，本文首先通过室内实验测试了超临界二氧化碳浸泡作用对页岩力学性质的影响规律，进而基于内聚力模型模拟了压裂过程中的应力与渗流耦合过程，并进一步对比分析了分别以水和二氧化碳作为压裂工作液时的造缝效果，最后开展了超临界二氧化碳压裂的敏感性分析。研究发现：将页岩在超临界二氧化碳中浸泡2小时后（压力为30MPa，温度335.15K），页岩的弹性模量增加32.2%，泊松比减小40.3%，抗压强度减小22.9%；与水力压裂相比，超临界二氧化碳压裂有利于形成更长（增长25.3%）、更窄（减小40.8%）的裂缝；随着岩体弹性模量的增加，裂缝趋于更长更窄；随着滤失系数的增加，裂缝宽度显著减小，而缝长变化很小；随着泵注排量增加，缝长和缝宽均增加；二氧化碳的粘度变化对裂缝形态影响微弱。研究结果证实了超临界二氧化碳压裂技术在不同地层条件下的适用性。
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热科学学报. 2021, 30(4): 1452-1467. https://doi.org/10.1007/s11630-021-1421-8摘要 ([an error occurred while processing this directive]) PDF全文 ([an error occurred while processing this directive])
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含油污泥与有效添加剂共热解可以改善该危险废弃物的热解特性，同时有降低热解成本的潜力。本文在热重分析仪上研究了不同添加比例、升温速率10℃/min下，含油污泥与添加剂的共热解特性和动力学特性。文中所用添加剂分别为核桃壳、Fe2O3、K2CO3、PVC和含油污泥热解焦（热解终温为700℃）。热重结果表明，含油污泥单独热解以及共热解过程均可划分为5个反应阶段，包括水分挥发、轻质组分析出、重质组分裂解、碳化以及矿物质组分分解。当添加剂添加比例为5%时，含油污泥与添加剂共热解时，最大失重速率降低。动力学分析显示，含油污泥与核桃壳、热解焦共热解过程的总体活化能水平较低。与含油污泥单独燃烧相比，含油污泥与K2CO3、PVC共热解过程三个主反应阶段(二、三、四)的活化能均降低。