2023年, 第32卷, 第1期 刊出日期：2022-12-27
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热科学学报. 2023, 32(1): 1-16. https://doi.org/10.1007/s11630-022-1702-x太阳能热化学两步循环制氢一直以来备受关注，然而严重的系统不可逆性限制了太阳能到燃料的高效转化。本文通过建立太阳能热化学循环热力学分析模型，对典型Zn基太阳能热化学循环进行了深入能量与不可逆性分析。不同于以往研究多关注系统各设备的总不可逆损失，本研究对耦合反应、传热以及辐射的复合能量转化过程进行解耦分析，获得了不同属性的不可逆损失分布与产生原因。研究结果表明，为降低还原反应温度而引入的大量惰性吹扫气造成了较大系统不可逆损失，严重降低了太阳能到燃料转化效率。降低这部分与惰性气体吹扫有关的不可逆损失是提升效率的关键。研究结果为发展高效聚光太阳能热化学制氢循环提供了理论依据。
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热科学学报. 2023, 32(1): 17-29. https://doi.org/10.1007/s11630-022-1715-5压缩空气储能技术是可再生能源发展的重要技术。该技术的主要优势是储能容量大和环境友好。主要的挑战之一是储能密度低，需要天然的洞穴来储存空气。提高压缩空气储能的压力能够有效的提高储能密度。由于液体活塞式空气压缩机易于实现高压压缩，并且高效的换热能够大幅度降低气体压缩过程中的能耗，本文提出了一种通过使用多管束并联的压缩腔来增加表面积和换热量的近等温压缩方法，利用液体驱动空气压缩得到高压气体。在保持压缩腔横截面积不变的前提下，减小管道直径，增加并联管道的数量，实现压缩比为6.25:1的空气压缩，得到5MPa的高压气体。分析了不同管数条件下系统的性能。当使用1000根管、压缩和膨胀时间一分钟时，系统的压缩效率和膨胀效率可以分别达到93.0%和92.9%。本文提供了一种高效的高压压缩空气储能新方法。
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热科学学报. 2023, 32(1): 30-43. https://doi.org/10.1007/s11630-022-1691-9700℃二次再热超超临界燃煤发电技术是煤炭高效清洁利用的主要发展方向之一。为了解决 700℃二次再热超超临界燃煤机组回热系统抽汽过热度高造成的火用损失较大的问题，本文提出2种系统优化方案。方案1集成BEST汽轮机，方案2同时集成BEST汽轮机和外置式蒸汽冷却器。采用 Ebsilon Professional软件对机组热力系统进行建模，采用单耗分析法分析不同方案在变工况下的能耗分布情况。结果表明：与 700℃基准机组相比，方案1和2的发电煤耗分别降低了1.88 g·(kW·h)-1, 2.97 g·(kW·h)-1，方案1和方案2回热加热系统的平均抽汽过热度分别降低122.2℃, 140.7℃ (100% THA)。方案2的性能优于方案1和基准机组,方案2在100% THA工况下的发电煤耗和发电效率分别达到232.08 g·(kW·h)-1 and 52.96%。
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热科学学报. 2023, 32(1): 44-58. https://doi.org/10.1007/s11630-022-1747-x本文实验测量了不同温度下石英窗口的本征导热系数与光谱吸收系数。首先，采用FTIR光谱仪（含加热装置）测量获得窗口的光谱透过率，结合辐射传递过程建模和遗传算法构建的反演辨识模型，获得窗口不同温度下的光谱吸收系数。再设计了一种石英玻璃-石墨板-石英玻璃的多层结构，通过自研的高温瞬态热响应测试装置，测量该多层结构的瞬态热响应温度数据。将吸收系数作为输入，建立了该多层结构的辐射-导热耦合传热模型和石英窗口本征导热系数反演辨识模型，基于热响应实测数据，反演辨识获得石英窗口不同温度下的本征导热系数。最后，数值模拟讨论了吸收系数温度依变性和光谱选择性对石英窗口传热特性的影响。结果表明，石英窗口的吸收系数和本征导热系数随温度升高均有所增加；温度从常温到1100 K，本征导热系数从1.35增长到2.52 W/(m·K)。考虑辐射效应的有效导热系数在1100 K时比本征导热系数高26.4%。随着半透明材料温度依赖性的吸收系数增加，其非加热侧温度呈现先增加后减小的趋势。同时，材料的吸收系数如果随波长变化明显，采用非灰辐射-导热耦合传热模型可以更好的描述该类材料的传热特征。
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热科学学报. 2023, 32(1): 59-80. https://doi.org/10.1007/s11630-022-1704-8波转子技术作为一种无需借助机械部件即可实现气体间能量高效传递的压力交换设备，在燃气轮机循环系统及气体膨胀制冷等领域均已获得了丰富的研究、应用成果。由于气体间能量交换均在波转子流道内完成，因此其结构形式对于此类设备的性能会产生重要影响。本文以气波引射技术为基础，完成了弯曲型流道在膨胀型波转子技术中的首次应用实验，并通过与常用的直流道进行对比实验及三维数值模拟分析，获得了弯曲流道对于压力交换过程整体性能的提升效果及机理。实验结果表明，本文研究所用的弯曲流道转子（CIR转子）的最高等熵效率可达61.6%，其在各工况下的性能参数值均较直流道转子（STR转子）有所提升；各实验膨胀比下，CIR转子的最大效率相对提升比例均可超14.2%，引射率的最大相对提升量均可达5%以上；另外，CIR转子也可有效提升中压产气中的静压占比，并降低设备的运转功耗。三维数值模拟结果表明，CIR转子的弯曲流道可有效降低包括高压气体入射、喷嘴内排气流动以及流道内气体高速流动过程的涡旋、粘性耗散等各类能量损失，从而实现了压力交换过程整体效率的相对提升。
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热科学学报. 2023, 32(1): 81-92. https://doi.org/10.1007/s11630-022-1764-9本工作提出了一种新型管状结构的高温质子交换膜燃料电池，并与内置的填料床甲醇水蒸气重整器集成，为动力输出提供氢气。在COMSOL Multiphysics软件中建立了一个二维轴对称非等温模型，以模拟管状高温质子膜燃料电池和填料床甲醇转化器的性能。该模型考虑了多物理过程的耦合，包括甲醇重整反应、水汽变换反应、甲醇裂解反应以及热量、质量和动量传递过程。管式填料床甲醇转化炉的子模型在433 K和493 K之间与文献中报道的实验数据进行了验证。高温质子交换燃料电池的子模型在393 K和433 K之间与已发表的文献进行了验证。研究结果表明，集成单元的功率输出和温度分布取决于甲醇的供给量和工作电压。这表明，即使在没有外部热源的情况下，通过控制甲醇重整器时空比≥250 kg*s/mol，高温质子交换膜燃料电池的工作电压为0.6 V时，可在无外部电源加热的情况下实现0.14 W/cm2的稳定电力输出，同时保持≤10 K的甲醇蒸汽重整器温降。
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热科学学报. 2023, 32(1): 93-108. https://doi.org/10.1007/s11630-022-1680-z利用太阳能生产氢气和一氧化碳的合成气燃料是利用太阳能并有效克服其波动的一种很有前景的方法。本研究提出一种利用太阳能辅助的可逆性固体氧化物燃料电池制造太阳能燃料，并在无太阳辐射期间为用户提供所需要的冷、热及电能的系统。该系统运行模式分为太阳能辅助固体氧化物电解电池模式和固体氧化物燃料电池模式。本文建立了热力学模型，并分析了其热力学性能。在设计工况下，SOEC模式的系统总能量效率为19.0%，火用效率为20.5%。SOFC模式下的电效率为51.4%，能量效率为71.3%，火用效率为45.2%。固体氧化物燃料电池占总火用破坏的60.0%，是由于电化学反应的热力学不可逆性引起的。当固体氧化物燃料电池工作温度从800℃提高到1050℃时，火用效率和能量效率分别提高了11.3%和12.3%。其压力从2 bar上升到7 bar时，电效率提高了13.8%，而能量效率和火用效率分别降低了5.2%和6.0%。
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热科学学报. 2023, 32(1): 109-124. https://doi.org/10.1007/s11630-022-1698-2优化换热器翅片布置和尺寸，可以提高将废热转化为电能的温差发电系统最大输出功率。考虑到几何对称结构有利于提高温度均匀性和方便热电器件的布置，本文研制了一种基于多面体热交换器的低背压温差发电系统。为了评估内部拓扑结构和翅片参数对系统传热和输出功率的影响，建立了一个可实现的k-ɛ湍流数值模型，并进行了数值模拟验证。结果表明，增大翅片长度、翅片宽度和翅片夹角有利于提高温差发电系统的平均表面温度、温度分布均匀性和最大输出功率。适当减小翅片间距有助于提高温差发电系统的平均表面温度和最大功率，但对系统温度均匀性的影响不显著。优化后的翅片长度、宽度、夹角和翅片间距的插片可以提高输出功率，但会增加背压。实验结果与仿真结果的最大差值为3.2%，验证了所建立的数值模型的可行性。本研究为汽车尾气余热回收利用低背压温差发电系统的优化设计和性能分析提供了理论参考。
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热科学学报. 2023, 32(1): 125-134. https://doi.org/10.1007/s11630-022-1735-1合适的运行策略能够改善分布式冷热电联供系统的变工况性能，提高能源利用效率和降低排放。本文通过品位差图像分析方法确定部分负荷下系统不可逆损失，阐释了烟气回注运行策略下系统能效提升机理。与降低透平入口温度运行策略相比，由于减小了燃气轮机中能量转换过程品位差值，在85%负荷下，烟气回注策略减少了燃气轮机2.62%的㶲损失。当系统输出功率进一步降低，由于压气机进口温度的限制，烟气回注运行策略被降低透平入口温度运行策略所取代。然而，在余热利用装置中，㶲损失与能量品位差的变化规律与燃气轮机相反。引入功冷联供系统作为解决方案。此外，功冷联供系统的引入可以有效扩大系统冷电比的调节范围，改善系统运行的灵活特性。
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热科学学报. 2023, 32(1): 135-152. https://doi.org/10.1007/s11630-022-1723-5太阳能与燃料电池技术相结合产生的合成气燃料是未来绿色能源解决碳中和问题的一种很有前景的方法。本文设计了一种新型太阳能驱动固体氧化物电解槽系统，该系统集成了余热系统以制备合成气。太阳能光伏和抛物线槽集热器共同驱动固体氧化物电解槽，以提高系统效率。建立了各部件的热力学模型，并进行了能量、（火用）和（火用经济）分析，以评估系统的性能。在设计工况下，太阳能光伏发电由于其转换效率较低，占总（火用）损失的88.46%。经济性分析表明，燃料电池组件的经济性系数较高，为89.56%，这是因为其投资成本较大。讨论了电流密度、工作温度、压力和摩尔分数等关键参数对系统性能的影响。结果表明，当SOEC的温度、压力和水蒸气摩尔分数分别为1223.K、0.MPa和50%时，最佳能量效率和（火用）效率分别为19.04%和19.90%。
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热科学学报. 2023, 32(1): 153-165. https://doi.org/10.1007/s11630-022-1688-4低温回路热管是工作于低温环境下的高效传热设备，在航天卫星和电子等领域有着广阔的应用前景。低温回路热管的降温冷却过程是启动前非常关键的过程，二次回路是使低温回路热管实现降温冷却的主要方式，而目前大部分文献都是针对其正常工作时的传热特性开展研究工作，针对降温冷却过程的研究非常少见。本文针对带有二次回路的液氮温区低温回路热管的降温过程开展实验研究，根据能量守恒定律提出了简单地定性估算降温时间的方法，描述了降温过程中工质在低温回路热管内的两条流动路径，并且对不同次热负荷和工质充注量条件下降温过程进行了实验研究。随着次热负荷的增大，路径Ⅰ中的工质质量流量增大，使降温过程中的第Ш阶段时间显著下降。当工质充气压力在2.99 MPa至3.80 MPa范围内时，工质充注量对降温时间影响很小。但是当充气压力为2.8 MPa时，由于充气压力较低导致低温回路热管内液体工质不足，使其需要经历更长的降温时间。另外还对实验过程中重力作用对各部位温度变化的影响进行了分析。通过本文的研究工作，能够加深对低温回路热管降温过程的认识，有利于低温回路热管的优化工作。
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热科学学报. 2023, 32(1): 166-182. https://doi.org/10.1007/s11630-022-1703-9对高效超超临界循环流化床锅炉均匀加热的水壁管内的临界热负荷（CHF）进行了实验和理论研究。特别是，实验压力从18-21 MPa不等，即从0.814-0.95临界压力。质量通量从310-550 kg·m-2·s-1不等。进口过冷度从5-10℃不等。管子的材料是12Cr1MoVg。通过实验调查，我们得到了水的近临界压力CHF测试数据。我们发现，CHF主要发生在干度小于0.4的情况下，而当压力接近22.115MPa或质量通量较小时，CHF发生得更早（低干度的情况下）。根据实验数据，通过回归和机器学习建立了CHF的相关函数。通过机器学习建立的相关关系，极大地提高了回归的准确性。为了从力学上研究CHF现象，在描述DNB型CHF的近表面气泡拥挤模型的基础上建立了一个理论模型。在建立CHF模型的过程中，根据我们的测试结果确定了摩擦阻力系数。通过与不同实验结果的比较，近表面气泡拥挤模型很适合描述DNB型CHF。该模型的计算结果可以为超超临界循环流化床锅炉的优化设计提供参考。
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热科学学报. 2023, 32(1): 183-191. https://doi.org/10.1007/s11630-022-1756-9脉动热管(PHP)用于散热时其蒸发端直接与电子设备接触，控制良好的蒸发端温度均匀性是保证电子设备安全可靠运行的重要条件。基于此，本文以去离子水作为对照，主要针对以硬脂酸钠作溶质的表面活性剂溶液（浓度分别为0.001 wt%、0.002 wt%和0.004 wt%）在不同充液率（充液率分别为0.31、0.44和0.57）、不同热流密度下（ (1911–19 427) W/m2），脉动热管蒸发端温度均匀性进行了实验研究。实验结果表明，在所有测试工况下，PHP的最高温度通常出现在蒸发端的中间区域。随着热流密度的增加，工作流体流动模式变化，蒸发端中不同区域之间的温差先升高后降低。相比去离子水-PHP，硬脂酸钠溶液-PHP的蒸发端温度均匀性更好，这表明降低工作流体的表面张力可以提高PHP蒸发端温度均匀性。此外，在不同的充液率下，由于流体表面张力和粘度的共同影响，达到优化的蒸发温度均匀性所需的表面活性剂溶液浓度也不同。具体而言，当充液率为0.31和0.44时，最佳蒸发温度均匀性所对应的溶液浓度为0.004 wt%；而当充液率为0.57时，最佳蒸发温度均匀性所对应的溶液浓度为0.002 wt%。
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热科学学报. 2023, 32(1): 192-205. https://doi.org/10.1007/s11630-022-1716-4双电层电容器作为一种新型绿色的储电器件，主要通过电极-电解质所形成的双电层结构来储存电能, 具有功率密度高、循环寿命长、动态响应快等优点，在消费电子产品、电动汽车以及电网等工业领域具有广阔的应用前景。双电层电容器的器件热管理问题关系到其工作性能和使用寿命，而双电层固液界面的传热研究对实现双电层电容器的高效热管理至关重要。在本项工作中，我们采用分子动力学模拟手段，计算了离子液体和石墨电极之间的界面热阻，研究了不同温度下不带电电极和带电电极的界面热阻。模拟结果显示，与不带电电极相比，带负电荷电极附近的界面热阻较之降低了23%，而温度对界面热阻的影响很小。因此，我们推测固液界面处形成的独特双电层结构可能影响着界面热传输性能。我们从离子间距、离子间相互作用力和比热容三个方面研究了电极电荷和工作温度对界面处离子液体传热性能的影响。研究发现，在电极电荷的影响下，双电层结构中的离子间距减小，离子间相互作用和比热容增加，这导致界面处离子液体的热阻降低；而温度对离子间距、离子间相互作用力和比热容的影响很小。
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热科学学报. 2023, 32(1): 206-222. https://doi.org/10.1007/s11630-022-1721-7由于树脂基复合材料在许多关键工程领域中至关重要，因此其制造工艺非常值得研究和优化，以满足高生产率下的质量控制。本文结合浸渍理论，建立了热熔树脂在纤维织物中的流-热-力多物理场耦合模型，以树脂浸渍的均匀性和充分性为评价标准，对热熔树脂的渗透流动过程进行了表征、研究和优化。首先，通过相场法追踪树脂的渗透流动前沿来表征渗透流动过程。其次，综合研究了辊轮间隙、辊轮温度和辊轮走速的影响规律。然后，用多项式曲线拟合树脂浸渍程度的模拟数据，准确率达96.13%，用于进一步研究影响因素之间的相互作用。最后，基于上述结果，利用响应面法对浸渍工艺的操作参数组合进行了优化，为实际应用提供了指导。
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热科学学报. 2023, 32(1): 223-236. https://doi.org/10.1007/s11630-022-1706-6文章对于环形通道中的液态铅铋共晶合金（LBE）的熵产和热力学不可逆性进行了研究。为了获得更佳的对流换热条件与探究近壁区液态铅铋合金流动特性，采用了基于有限体积法（FVM）的计算流体力学（CFD）程序。高温LBE在环形通道中强迫对流换热时，在内壁施加总热功率相同，但分布不同的四种热流密度：恒定、线性增加、线性减小、抛物线分布。模拟了不同热流分布下1200<Pe<3200范围内的LBE强迫对流换热。并采用了SST k-ω湍流模型与Cheng-Tak湍流普朗特数模型。在计算前进行了模型验证，结果表明Nu最大误差为5.43%。对于局部与系统尺度的流动与熵产特性进了行讨论，结果表明，粘性子层和缓冲层分别存在由粘性摩擦和传热引起的熵产生。传热是导致不可逆损耗的主要因素。此外，结果表明在抛物线分布热流条件下，热力学性能最佳
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热科学学报. 2023, 32(1): 237-253. https://doi.org/10.1007/s11630-022-1759-6冲击冷却由于能在驻点区域产生极高的换热系数目前已受到了广泛的应用，超临界二氧化碳在临界温度附近的物性激变有望进一步提高换热系数。本研究在壁面热流400 W/cm2下对超临界二氧化碳层板单孔冲击冷却进行了数值模拟，分析了拟临界流体的产生原因及分布规律并解释了强化换热机理。此外还研究了射流孔径d=2 mm时无量纲冲击距离H/d 、层板厚度 δ/d、上层流体厚度L/d等层板几何参数对靶面平均换热系数的影响。研究表明，当前工况冲击靶面上1.4 mm≤r≤5 mm 区域内定压比热容Cp对换热有直接的强化作用；无量纲冲击距离H/d从0.5增大至4过程中，靶面的平均换热系数先增加后减小，在H/d=1时达到最大；无量纲板厚 δ/d从0.5增大至3.5、上层流体厚度L/d从0.5增大至2.5过程中，靶面上平均换热系数单调减小。
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热科学学报. 2023, 32(1): 254-263. https://doi.org/10.1007/s11630-022-1682-x喘振是航空发动机的一种不稳定的工作状态,会造成毁灭性的破坏。学术界和工业界最热门的研究课题之一就是弄清喘振的机制以及安全地退喘。基于试验台结果和发动机运行的实际数据，研究人员提出了多种喘振理论，并建立了一些经典的分析模型来进行建模和预测。近年来，随着计算能力的提高和数值仿真的快速发展，计算流体力学（CFD）已被广泛应用于研究轴流压气机的喘振现象。本文中，首先介绍了喘振现象的原理和特征。随后介绍了主要的理论模型和CFD数值模拟，并讨论了它们的优缺点。最后，我们对喘振现象提出了可能的改进和未来的技术路线。本文旨在为轴向压气机喘振研究提供有意义的参考。
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热科学学报. 2023, 32(1): 264-277. https://doi.org/10.1007/s11630-022-1687-5为克服跨声速流动中对翼型的巨大阻力，提出了一种采用抽吸和加载前缘( SLLE )的混合流动控制方法，并研究了其在不同工况下的主动反馈控制效果。加载前缘结构作为一种被动流动控制技术可以实现压力的重新分配；而抽吸槽用于控制激波位置和流动分离，可以利用反馈控制系统主动、自动地进行。首先，在定常流动下进行研究，得到了显著的减阻性能。攻角为5°时可得到最高的减阻率22.5%，在各攻角情况下均可得到升阻比的增大。其次，针对非设计来流条件下的反馈流量控制问题，提出了一种基于反馈的SLLE控制方法。结果表明，SLLE控制能够获得平均大于10%的减阻性能，表明该流量控制方法在改变流量条件下具有良好的适用性。
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热科学学报. 2023, 32(1): 278-285. https://doi.org/10.1007/s11630-022-1717-3凹腔基火焰稳定器有望应用于冲压发动机或加力燃烧室，它能够在高海拔低压环境下高效运行。细致的流场结构有助于理解火焰稳定器的火焰稳定性原理。试验测量了进口压力为0.04 – 0.10 MPa、马赫数为0.1和温度为300 K条件下凹腔及火焰稳定器中心截面和旁侧截面的流场结构。结果表明，进口压力对凹腔基火焰稳定器内部流动结构影响显著，钝体会影响凹腔中涡结构的生成。当进口压力由0.10 MPa降至0.04 MPa时，凹腔旁侧截面呈现出具有良好稳定性的典型双涡结构；而随着进口压力由0.10 MPa变化至0.06 MPa时，凹腔中心截面的涡结构由单涡结构逐渐变得涡结构不完整，并在进口压力为0.04 MPa时彻底消失。涡结构变化的原因是随着入口压力的降低，密度也随之降低，质量流率被吸引到钝体下游低压区的比例增加，从而导致涡流逐渐被拉扯和破坏。
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热科学学报. 2023, 32(1): 286-296. https://doi.org/10.1007/s11630-022-1729-z旋流畸变和不均匀的叶尖间隙对发动机性能以及失速裕度有很大的影响。本文采用旋流畸变描述因子定量分析了对涡旋流畸变对非均匀叶尖间隙的单级轴流压气机气动稳定性和失速起始的影响。实验结果表明，以同向旋流为主导的对涡旋流畸变提高了轴流压气机的稳定性。对于偏心率为100%的单级轴流压气机，在均匀进气条件下，失速起始总出现在最大叶尖间隙处。当压气机进口处存在小强度的对涡旋流畸变时，失速起始的位置由压气机的最大叶尖间隙决定。随着旋流强度的增加，失速起始的位置朝着反向旋流涡核所在处移动。进口旋流畸变不会改变失速起始的类型。
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Performance-Driven Multi-Objective Optimization Method for DLR Transonic Tandem Cascade Shape Design热科学学报. 2023, 32(1): 297-309. https://doi.org/10.1007/s11630-022-1707-5跨音速串列叶栅能够有效提升跨音速压缩机的工作载荷，这一特点满足了当代轴流压气机对大载荷和高压比的日益增长的急切需求。本文提出了一种跨音速串列叶栅优化迭代设计方法，并很好地应用在了设计来流马赫数为1.051的德国宇航局串列叶栅（该叶栅属于单个前排叶片和双后排叶片的重载跨音速叶栅）的气动优化设计工作中。本文采用了19个参数对跨音速串列叶栅进行了参数化表示，采用非支配遗传算法来驱动整个气动优化体系，优化过程中的新样本通过数值计算的得到其气动表现后不断补充到优化种群中。针对不同叶片造型会造成在跨音速叶栅的优化中来流马赫数明显变化的特点，本文提出了一种出口背压自动迭代修正的边界校准方法，保证了不同叶片造型下的跨音速串列叶栅的优化设计任务均保持在恒定的马赫数下进行。优化结果显示，串列叶栅的后排亚音速叶栅在优化后叶片挠度变化明显，串列叶栅的前排跨音速叶片的吸力面曲率降低和最大厚度位置的后移能够降低跨音速叶栅通道中的激波强度。跨音速串列叶栅的帕雷托优化设计结果证实了本文提出的优化方法的可靠性，某典型的优化设计结果证实：在近堵塞攻角、设计攻角和近失速攻角下，优化后的跨音速串列叶栅较原模型相比其叶型的总压损失系数分别降低了15.6%，20.9%和19.9%，且静压压比分别提升了1.3%，1.8%和1.7%。
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热科学学报. 2023, 32(1): 310-329. https://doi.org/10.1007/s11630-022-1685-7为保证离心压气机安全稳定运行，需要对压气机流动进行实时监测，避免其发生流动失稳。目前一般通过压气机稳态流动参数测量结合压气机性能图谱判断压气机是否在稳定区域工作，或通过压气机动态压力测量判断压气机流动是否失稳。由于压气机的稳定工作边界会随着工作时间发生变化以及动态压力传感器价格昂贵等原因，这些方法均难以实现压气机流动失稳的实时在线识别。随着高速电机技术的进步，电动离心压气机的应用越来越广泛。对电动离心压气机可通过电机电流和转速等信号进行流动失稳识别。本文通过实验研究了采用电机转速和相电流信号识别离心压气机流动失稳的可行性。通过对电动离心压气机实验测量的动态压力信号和电机信号的时域和频域分析，获得了这些信号在不同工况下的特征，提出了对转速信号进行短时傅里叶变换的流动失稳实时识别方法。结果表明，利用转速信号可清晰识别出压气机流动失稳发展过程中的旋转失速、轻喘和深喘等流动状态，利用相电流信号只能识别喘振状态。对转速信号进行窗口大小为0.5秒的短时傅里叶变换，可实时捕捉到压气机流动失稳现象。此外，短时傅里叶变换还可消除由控制器引起的转速信号干扰。
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热科学学报. 2023, 32(1): 330-350. https://doi.org/10.1007/s11630-022-1679-5本文数值研究了涡轮叶片气膜冷却与内部冷却间的相互作用机理。一方面，研究了三种不同的内冷通道结构（光滑通道、连续肋通道、截断肋通道）对气膜冷却效率以及气膜孔流量系数的影响，另一方面，探索了三种不同的气膜孔型（圆柱孔，双排椭圆孔、双排圆-椭圆孔）的抽吸作用对内冷通道换热性能和压力损失的影响规律。特别地，不带有气膜孔的单独内冷通道气设置为参考模型来分析气膜孔抽吸作用对内冷通道的影响。研究结果表明：内冷通道中肋片的设置对不同气膜孔型的气膜冷却效率影响不同。内冷通道中设置肋片可以增加气膜孔的流量系数。气膜孔的抽吸作用有助于增强内冷通道的换热性能，同时减小通道的压力损失。此外，相对于气膜孔的抽吸作用来说，内冷通道中布置肋片是提高内冷通道换热的主要途径。
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热科学学报. 2023, 32(1): 351-365. https://doi.org/10.1007/s11630-022-1705-7本文采用数值模拟的方法，针对压气机带容腔结构的扩压叶栅，研究了容腔泄漏流对其性能的影响以及容腔泄漏流与主流的相互干涉作用。在不同的容腔封严间隙和容腔转速下，探讨了叶栅二次流运动和角区分离发展情况，并通过总压损失系数和熵增系数对性能变化进行评判。结果表明：容腔泄漏流使叶片前缘出现容腔泄漏涡。容腔封严间隙的增加使扩压叶栅15%叶高以下的角区横向宽度增大，总压损失系数和熵增损失系数增加。容腔转速的增加使扩压叶栅吸力面角区分离起点沿轴向后移，上半部分角区横向宽度减小，进而使得总压损失系数降低，但转速使容腔熵增增加，两者耦合导致熵增损失系数先降低后增加。
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Effects of Sealing Flow Supply Configuration with Holes on Sealing Effectiveness of Turbine Rim Seal热科学学报. 2023, 32(1): 366-386. https://doi.org/10.1007/s11630-022-1739-x本文在传统径向轮缘密封的基础上，提出了一种新型带密封孔的轮缘密封结构，并对传统的供封严气结构和新型带密封孔的供封严气结构在不同封严气流量下的密封性能进行了数值比较。通过使用URANS方法和ANSYS CFX的SST湍流模型，对轮缘密封的密封效果和非定常流场进行了数值模拟。研究得到了不同封严气流量对新型密封流供气结构的密封效果的影响，同时还研究了不同封严气流量工况下传统轮缘密封的密封效率和非定常流动特性。对于传统的径向轮缘密封，封严气流量的增加降低了轮缘间隙处主流效应所引起的燃气入侵程度，并且非定常流动特性增强，流场内的低频信号的数量和幅值有所增加。Kelvin-Helmholtz不稳定性涡结构的位置因封严气流量的增加而被抬升，并且其强度被抑制。与传统的密封流供气结构相比，在封严流量为Cw=2000并且封严气分配比例为m1:m2=3:1时，带密封孔的供封严气结构的封严效率最多降低了5.06%；而在封严流量Cw=7500并且封严气分配比例为m1:m2=1:1时，封严效率最多可以提高11.71%。研究表明，在封严流量为Cw=2000工况下，来自密封孔的侧向射流诱导产生更大尺度的Kelvin-Helmholtz不稳定性涡结构，从而使燃气入侵程度加剧，轮毂空间的密封效率降低；在封严流量为Cw=7500工况下，带密封孔的供封严气结构明显抑制了Kelvin-Helmholtz不稳定性涡结构的尺度大小，这对提高传统径向轮缘密封的密封效果是有益的。
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热科学学报. 2023, 32(1): 387-400. https://doi.org/10.1007/s11630-022-1766-7基于BP神经网络和遗传算法，建立了波瓣混合器多目标优化的顺序近似优化框架（SAO）：以波瓣波长与高度之比（η）和上升角（α）为设计参数，以混合效率、推力和总压力损失为优化目标。波瓣混合器的数值计算采用CFX商用求解器，并以SST湍流模型进行湍流封闭。波瓣混合器计算域采用四面体非结构化网格，其中具有560万个节点的网格即可获得精确的全局结果。根据波瓣混合器的响应面近似模型，应避免同时增加或减少α和η；相反，α应减小，而η应适当增加，有利于实现增加推力和减少损失的目标，而代价是混合效率略有降低。与归一化方法相比，具有更好全局优化精度的非归一化方法更适合于求解波瓣混合器的多目标优化问题，其最优解（α=8.54°，η=1.165）是本文研究的波瓣混合器优化问题的最优解。与基准波瓣混合器相比，最优解的α、β（下降角）和H（波瓣高度）分别减少0.14°、1.34°和3.97 mm，η增加0.074；其混合效率降低了4.46%，但推力增加了2.29%，总压力损失降低了0.64%。在优化的波瓣混合器的下游，流向涡的径向尺度和峰值涡度随着波瓣高度的减小而减小，从而降低了混合效率。对于优化的波瓣混合器，其混合效率低是降低总压力损失的主要因素，但几何曲率的改善也有利于降低其轮廓损失。在本研究范围内，最优波瓣混合器混合效率ε=74.14%，此时可最大化其输出推力，而不会过度增加掺混损失。
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热科学学报. 2023, 32(1): 401-413. https://doi.org/10.1007/s11630-022-1730-6甲烷可燃极限范围窄，需要较高的点火能量，层流火焰传播速度低，这些特点都限制了天然气的应用和发展。而二甲醚点火及燃烧性能好、易于制取和运输，常被用作助燃剂。所以将两者掺混燃烧有助于改善甲烷燃烧的缺点。本文以甲烷和二甲醚作为燃料，设计并搭建了高压对冲扩散火焰实验台，并在此实验台和定容燃烧弹实验平台上研究了掺混比例和压力对甲烷/二甲醚掺混燃料燃烧特性的影响，同时利用CHEMKIN软件开展模拟研究。将实验结果与模拟结果对比后发现：甲烷掺混比例增加会使甲烷/二甲醚掺混燃料的层流火焰传播速度降低。火焰温度会随着甲烷掺混比例增加而升高，分析化学反应路径可知甲烷掺混比例增大时，甲烷会与二甲醚抢夺H原子，反应CH4 + H = CH3 + H2 得到促进，OH的反应活性也随甲烷掺混比例增大而减小，所以甲烷掺混比例增大抑制了整个燃烧反应的进行。随着压力上升，掺混燃料的层流火焰传播速度降低，但火焰中自由基的产率有所增加，燃烧过程被加速，火焰温度会随压力升高而升高。
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热科学学报. 2023, 32(1): 414-426. https://doi.org/10.1007/s11630-022-1733-3缸内燃烧策略的优化对天然气/柴油双燃料发动机节能减排有很大潜力。因为预燃室可以提高点火稳定性和提升发动机热效率，通常被用于大缸径双燃料船用发动机的点火系统，尤其是在稀燃条件下。然而，这种双燃料预燃室式发动机缸内的着火和燃烧控制机制仍不明确，扫气涡流和混合气分层对燃烧的影响规律需要进一步研究。本文对装有预室点火系统的船用发动机的详细点火机理和燃烧过程进行了数值研究，揭示了主燃烧室的火焰发展过程。此外，解耦研究了混合气分层和涡流比对燃烧速率和发动机热效率的影响。研究结果表明，预燃室产生的射流火焰在初始阶段沿着前通孔轴线发展，火焰以预燃室内的混合气预混燃烧为主，随后，放热反应区开始只存在于火焰表面，湍流火焰传播机制开始主导控制燃烧进程。此外，随着涡流比的提高，对湍流火焰发展的加速更为明显，燃烧放热速率增大。混合物的分层度对加速燃烧起着一定的作用，过高或过低的分层程度都会降低燃烧率，而适度的分层则会提高燃烧率。通过调整燃气喷射参数实现缸内混合气在适当的分层度区间，可以使后续燃烧的燃料消耗降低0.3%。
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热科学学报. 2023, 32(1): 427-437. https://doi.org/10.1007/s11630-022-1728-0旋流分层火焰间相互作用机制复杂，值班火焰对燃烧稳定性有明显的影响，为了研究这一特性，仅供应值班级燃料，在模型燃烧室上开展了系列实验研究。试验中，使用带CH*滤波器的高速摄像机捕捉值班火焰CH*化学发光动态图像，运用数字图像分析和本征正交分解（POD）等方法获得了火焰的总体结构及主要脉动模态的分布特征。随着值班级当量比的增加，值班火焰逐渐表现出不稳定状态，其POD能量分布也表现出明显的不同。在不稳定时，旋流火焰主要包括螺旋运动、火焰脱离和轴向振荡等三种模态，并结合实验特性进一步分析了其形成原因；前四种POD模态时间系数傅立叶变换(FFT)分析显示其所有主频率均为280 Hz，这表明，此时燃烧器处于共振状态；此外，基于不同分辨率的图像敏感性分析进一步揭示了POD方法的鲁棒性及其快速算法的优化方向。这些分析结果阐述了值班燃料流量对火焰稳定性有重要的影响，可被用于指导下一步的研究。
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热科学学报. 2023, 32(1): 438-447. https://doi.org/10.1007/s11630-022-1755-x本文在定容燃烧弹上研究RP-3航空煤油在非蒸发和蒸发环境下的喷雾特性，并对比了RP-3航空煤油与柴油的喷雾贯穿距离、喷雾锥角和喷雾面积。研究发现，RP-3航空煤油和柴油的非蒸发喷雾并没显著的差异，二者的喷雾贯穿距离、喷雾面积和喷雾锥角在大多数试验条件下几乎一致。在蒸发环境下，RP-3航空煤油比柴油产生更短的液相喷雾贯穿距离和更小的喷雾面积，这些差异在较低的环境温度下尤为明显。然而，燃料因素对蒸发喷雾锥角的影响较小。此外，增大环境密度或环境温度可减少燃油液相的喷雾贯穿距离和喷雾面积，相比于RP-3航空煤油，这些因素对于柴油的影响尤为明显。
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热科学学报. 2023, 32(1): 448-456. https://doi.org/10.1007/s11630-022-1737-z在准东煤循环流化床气化时常遭遇一些灰相关问题，如炉膛底部结渣、换热器表面积灰等。较低的灰熔点和强烈的碱金属钠挥发是导致上述问题的罪魁祸首。在工程上，配煤是被认为提高灰熔点和控制钠挥发的可靠手段。在此项研究中，乌海煤被选用作为配煤煤种，配煤比例从0%到40%不等，间隔为10%。混合样品在实验室管式炉中950℃、水蒸气气氛下完成气化。分别采用ICP-OES、AFTs、XRD和TG等手段对一些重要指标如钠挥发量、灰熔融特性及气化特性进行分析。结果显示，配煤可以有效减少钠的挥发行为。对于灰结渣特性，可以惊奇地发现四个特征温度中的三个与配比呈现U型关系，这意味着低配比时可能引起更为严重的灰结渣问题，这归因于易熔融的含钠硅酸盐和硅铝酸盐比例显著增加。另外，配煤可以显著增加ST与DT差值，暗示床层抗温度波动能力显著增强。由于高含量的碱/碱土金属存在，在共气化时可以显著观察到协同作用。综合考虑上述多个重要指标，推荐乌海煤配比比例大约30%。
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热科学学报. 2023, 32(1): 457-467. https://doi.org/10.1007/s11630-022-1742-2煤泥灰分低，煤矸石燃烧时添加煤泥可以影响煤矸石的燃烧特性，NO将会排出，从而影响环境。O2/CO2气氛可以促进NO的排放。因此，本文研究了煤矸石和煤泥在O2/CO2气氛下混合燃烧时的燃烧特性和NO的排放情况。结果表明空气和O2/CO2气氛下燃烧，添加煤泥可以提高混合燃料的燃烧活性。煤矸石和煤泥混合燃烧时，在固定碳燃烧阶段存在协同作用。煤泥比例越高，协同作用越强。而且本文表明煤泥比例越高，NO的浓度升高；随着温度和O2浓度的升高，NO的浓度也升高。此外，这项研究证明随着燃烧温度的升高，灰中吡咯和氮氧化物的比例升高，吡啶和第四系氮氧化物逐渐消失；随着温度的升高，总氮的含量降低。这项结果促进了煤矸石和煤泥的混合燃烧过程有一个好的了解，为煤矸石和煤泥在工业上的实际应用提供基础。
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热科学学报. 2023, 32(1): 468-487. https://doi.org/10.1007/s11630-022-1746-y驻涡凹腔结合径向火焰稳定器的结构，可以在负压和高来流速度等极端环境下维持稳定燃烧。本文对这种结构的燃烧特征进行了完整的研究。使用数值仿真方式，获得了典型物理模型的流场。通过试验方法得到了该结构的值班燃烧特征，包括燃烧过程、燃烧效率和壁温分布等。在不同的来流参数和供油流量下，该结构的值班燃烧可以被划分为三种模态：在“仅凹腔稳焰（CM）”模态下，值班火焰位于凹腔两侧，随凹腔主涡一同旋转；在“凹腔和径向稳定器共同稳焰（CFM）”模态下，燃烧过程同时发生在凹腔内和径向稳定器后方；而在“仅径向稳定器稳焰（FM）”模态下，凹腔将发生熄火，由径向火焰稳定器独立维持燃烧。由于周向上的流场差异，不同燃烧模态下，火焰形态和传播方向将产生变化。受此影响，燃烧效率将呈现“上升-下降-再上升”趋势。各壁面温度分布也将受到影响；在大供油流量下，凹腔壁面温度将下降，而燃烧室后导流板壁温将持续上升至最大值。
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热科学学报. 2023, 32(1): 488-501. https://doi.org/10.1007/s11630-022-1758-7本生灯燃烧器是研究湍流-火焰相互作用的典型几何模型燃烧器。在大多数实验研究中，仅使用湍流强度和积分尺度来表征湍流流场，而不考虑湍流孔板的穿孔几何形状。然而，由于穿孔几何形状影响涡的形成和破碎，在讨论火焰-湍流相互作用时必须考虑。为了研究相近湍流强度和积分尺度条件下不同孔板的穿孔几何形状对甲烷/空气火焰的影响，采用动态增厚火焰模型进行大涡模拟。模型验证表明，大涡模拟与实验结果吻合较好。在无反应流动中，圆孔板条件下的涡拉伸项始终大于狭缝孔板条件下的涡拉伸项，这是由于流场中的应力对涡量矢量拉伸造成的。在反应流的火焰根部，旋涡拉伸起主要作用，圆孔板条件下的总涡量仍然较大。在圆孔板条件下，更多的小涡可以影响和皱折火焰前缘，从而增加大曲率下的概率密度分布。两种孔板的穿孔情况下的三维曲率分布均偏向于负值。瞬时火焰前缘的曲率呈负趋势，这是膨胀项影响的结果。圆孔板条件下火焰前缘的涡伸和膨胀值明显较大。
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热科学学报. 2023, 32(1): 502-502. https://doi.org/10.1007/s11630-023-1770-y
