2023年, 第32卷, 第2期 刊出日期：2023-02-27
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热科学学报. 2023, 32(2): 503-512. https://doi.org/10.1007/s11630-022-1621-x
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热科学学报. 2023, 32(2): 513-520. https://doi.org/10.1007/s11630-022-1631-8
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热科学学报. 2023, 32(2): 521-530. https://doi.org/10.1007/s11630-023-1765-3在设计汽油替代物和添加剂时需要综合考虑其潜在的燃烧和排放性能，同时需要对燃料特性与结构的关系有深入的了解。本研究的目标是通过预测燃料分子的碳烟指数（YSI）来评估其在发动机应用中的排放特性。借助之前建立的燃料化合物数据库，其中包括了600多种化合物的物理和化学特性，例如辛烷值、层流燃烧速度和蒸汽化热，开发了一种基于人工神经网络技术的定量结构-性质关系（QSPR）模型，利用21个经过筛选的功能基描述符作为输入特征，预测燃料物种的YSI。该模型使用耶鲁大学提供的YSI数据库进行训练和交叉验证，并应用于探索燃料的成烟倾向性对分子基团的敏感性。此外，还研究了YSI与汽油燃料数据库中其他可用特性之间的相关性，以了解这些特性的依赖关系。最后，研究者通过考虑燃料的潜在热机效率和油烟形成特性，分别采用效率增益函数和YSI作为综合考虑因素，对潜在的汽油混合组分进行了选择。
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热科学学报. 2023, 32(2): 531-541. https://doi.org/10.1007/s11630-023-1783-1薄膜型催化剂是一种具有应用前景的催化剂，具有节约原料，低成本高效的特点。使用一步法制备了一系列具有不同Fe含量的CuFeOx薄膜催化剂，并测试了空速185,000 mL g-1 h-1下甲烷对 N2O 的催化还原特性。通过XRD、EDX 和 XPS表征发现铁含量的增加会显著影响分散性，并生成活性较低的偏析Fe2O3相，研究结果表明，Cu和Fe之间的协同作用在许多维度影响了CuFeOx薄膜催化剂的特征，如空心结构、比表面积、纳米微晶尺寸、催化剂表面Cu+、Fe3+、氧的含量，表面的还原程度和强活性位点。采用 DFT 计算，研究了 N2O在CuFeO2 (012) 表面模型上的吸附和分解过程。表面Fe位点和空心位点对N2O分解具有活性，N2O在Fe位点和空心位点的分解能垒在0 K时分别为1.02 eV和1.25 eV。本文提出的通过掺杂氧化铁调控催化剂活性的方法可以为改进CH4催化还原N2O效果提供一种可能的途径。
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热科学学报. 2023, 32(2): 542-596. https://doi.org/10.1007/s11630-023-1749-3氢气是一种有可能取代化石能源用于交通、家庭和工业用途的清洁能源。为了增加氢气生产方式，减少化石能源的消耗，利用可再生能源产氢技术已经得到了广泛地发展。由于太阳能和生物质具有分布广泛、制氢方法多样的优势，大多数研究或评论工作都集中在此两类制氢系统。为了实现对当前可再生能源制氢技术发展状况的全面认识，本文对太阳能、风能、生物质能、地热能、海洋能和水电能驱动的制氢系统进行了综述。对这些系统的反应过程、能源效率、外能效率、产氢率、经济和环境性能进行了评估，同时分析了它们的技术挑战和未来发展前景。
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热科学学报. 2023, 32(2): 597-610. https://doi.org/10.1007/s11630-023-1760-8线聚焦抛物槽式(PT)太阳能直接蒸汽发生技术(DSG)因其发展较为成熟、整体成本相对较低、易于规模化等优点而具有广阔的发展前景，但其中集热管的热应力变形问题对系统整体性能和可靠性负面影响因其内部流体自身特性而尤为显著。本工作提出一种带有轴向镂空内螺旋导流器的新型集热管，通过集热管结构优化解决上述问题。对于典型PT-DSG回路的预热段、沸腾段和过热段建立了光-热-流动多物理场耦合模型并进行数值模拟。结果表明，新型集热管具有良好的综合性能，螺旋导流器混合流体使管段周向温差最小化，同时轴向镂空结构降低了流阻成本。通过引入管段周向温度均匀性改善指标ε△t和传热性能综合评价因子PEC对结果进行定量评价，对不同的需求目标提出不同的结构优化方案。当ε△t为主要改善指标时，选取扭率为1的导流器结构形式，在预热段、沸腾段、过热段得到的ε△t分别为25.4%，25.7%，41.5%，得到的PEC分别为0.486,0.878,0.596；当PEC为主要改善指标时，选取扭率为6-6.5导流器结构形式，在预热段、沸腾段、过热段得到的PEC分别为0.950,2.070,0.993，得到的ε△t分别为18.2%，13.3%，19.4%。
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热科学学报. 2023, 32(2): 611-627. https://doi.org/10.1007/s11630-023-1708-z为进一步提高超临界二氧化碳循环系统的热力性能，本文建立了简单/再压缩跨临界二氧化碳布雷顿循环（STBC/RTBC）和简单/再压缩跨临界二氧化碳朗肯循环（STRC/RTRC），并对上述四个跨临界CO2循环和简单/再压缩超临界布雷顿循环（SSBC/RSBC）进行了热力性能和㶲性能分析和优化，研究了关键热力学参数对循环系统性能的影响。研究结果表明，将跨临界布雷顿和朗肯循环应用于CO2循环系统后，CO2循环系统热力性能明显提高。在相同的优化变量范围内，与RSBC相比，RTRC和RTBC的最大热效率分别提高了4.98%和3.6%，RTRC的最大㶲效率分别提高了7.08%和5.13%。此外，STBC和STRC的热力性能也优于SSBC。本文对进一步提高CO2动力循环的热力性能具有一定的参考和借鉴意义。
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热科学学报. 2023, 32(2): 628-642. https://doi.org/10.1007/s11630-023-1763-5本文创新性的提出将矩形翅型涡产生器应用于百叶窗翅片-扁管式热交换器以提高其百叶窗翅片侧热工水力性能的方案。在经实验对baesline的压降△P和对流换热系数hLF进行验证后，文中使用数值模拟方法研究了矩形翅型涡产生器的数量N（7至15）、攻角β（30°至90°）、高度HVG（0.8 mm至2 mm）和宽度WVG（0.8 mm-1.2 mm）在速度为3 m/s至10 m/s内时对百叶窗翅片-扁管式热交换器性能的影响。研究结果表明，百叶窗翅片-扁管式热交换器的热工水力性能受矩形翅型涡产生器的显著影响，且当N=15、β=45°、HVG=1.8 mm和WVG=1 mm时百叶窗翅片-扁管式热交换器达到最佳性能，相较于baseline此时性能评价准则（PEC）的最大、最小和平均增长了13.85%、4.67%和8.39%。
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热科学学报. 2023, 32(2): 643-649. https://doi.org/10.1007/s11630-023-1768-0采用数值模拟方法研究了180目铜网吸液芯超薄平板热管在不同加热功率下的传热性能。超薄平板热管外形尺寸为：长80mm，宽8.5 mm，高1mm。采用FLUENT中多孔介质模型和用户自定义函数(UDF)耦合的方式对超薄平板热管的温度分布和流动特性进行仿真模拟。为了验证数值模型的准确性，将超薄平板热管蒸发段温度的模拟结果与实验数据进行了对比。结果表明，该数值模型对于超薄平板热管的一维传热方法具有较好的精度。吸液芯的速度、压降和整体温差具有相同的变化趋势，随着加热功率的增加，超薄平板热管的整体温差增大，吸液芯内的流动压降和冷凝液回流速度也增大。
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热科学学报. 2023, 32(2): 650-661. https://doi.org/10.1007/s11630-023-1761-7作为飞行器重要执行机构，大功率伺服电机工作性能受到飞行器环境下散热能力的显著制约。在高功率运行状态时，散热能力不足将导致伺服电机出现过热烧毁或产生其它安全隐患。本文根据伺服电机的非均匀发热特性，设计了一种变通道密度的微小通道冷却结构，并以飞行器推进系统低温燃料——超临界甲烷作为冷却工质，开展伺服电机的微小通道再生冷却热沉研究。构建了变密度冷却通道的数值模型以分析其传热机理和热性能，探究不同非均匀热流比的影响，力图抑制电机的过高温升和非均匀温度分布。针对变密度冷却通道的构型特点，采用壁面增强的k-ε RNG模型以精确模拟通道歧管处的复杂湍流特性和通道内的二次流影响。计算结果表明，电机热流比给微小通道热沉的热性能带来显著影响，高热流比会导致严重的非均匀温度分布，而根据电机热流分布设计相应冷却通道密度，可匹配非均匀热流实现传热强化，改善电机散热性能和均温性，控制其工作温升。该方案在所有流动区域中均为混合对流模式，传热系数峰值可达常规直通道的2-4倍。同时，歧管所处的湍流混合状态使得冷却工质和壁面在不同热流比下各自的温差较小，但此时浮升力影响仍不可忽略。热阻R和努塞尔数Nu受热流比、总热流和入口流速等参数的影响显著，效能因子η则还受到运行压力的明显影响。
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热科学学报. 2023, 32(2): 662-679. https://doi.org/10.1007/s11630-023-1740-z
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热科学学报. 2023, 32(2): 680-691. https://doi.org/10.1007/s11630-023-1773-3支撑结构显著影响着换热器的热性能，而波纹板通过其复杂多变的流道增强了流场扰动和传热为提高扭转流换热器的热性能，采用正弦波纹板代替平板，建立正弦波纹板扭转流换热器全截面周期模型。采用计算流体动力学方法研究了换热器壳程流动阻力特性。结果表明，正弦波纹板能增强导流板间的湍流强度，同时提高导流板间的流场均匀性，通过中心复合设计响应曲面法分析结构参数对壳程性能的影响，并得到传热系数与综合性能组合最优的正弦波纹板结构参数为波幅1.37 mm、周期数4.42、初相位112.73°，较平板传热系数提高11.58%，综合性能提高5.48%。搭建激光多普勒测速实验装置，利用激光多普勒测速仪(LDV)照射指定测量点，验证了数值模拟方法的可靠性与准确性。研究结果为波纹板扭转流换热器的结构开发提供了理论依据。
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热科学学报. 2023, 32(2): 692-707. https://doi.org/10.1007/s11630-023-1762-6液氮供给系统是低温风洞的四大关键系统之一，是其总温精确控制及快速安全调节的重要保障。基于低温风洞运行工况及试验需求，研究对比了国内外现有低温风洞或模拟系统的液氮供给系统方案及优缺点。结合0.3米低温风洞研制，凝练了液氮供给系统的关键技术——液氮供给方式、喷射压力快速及精确调节、大流量低温离心泵研制、液氮泵与管网匹配技术，并给出了解决途径。最终提出了适用于大型低温风洞的液氮供给系统工艺流程，满足系统独立调试，能够实现喷射压力快速调节及精确控制，支撑风洞工况快速变化等技术要求。液氮供给系统技术突破使建设低温风洞，并为未来飞行器开展高雷诺数试验成为可能。
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热科学学报. 2023, 32(2): 708-717. https://doi.org/10.1007/s11630-023-1753-7本文采用风洞试验与数值模拟方法分析了风洞侧壁对风力机翼型表面流动特性的影响，风洞试验在低速风洞中开展，雷诺数为2.62×105，通过表面测压法获得风洞侧壁干扰下翼型表面的压力特性，通过油流试验法获得风洞侧壁干扰下翼型表面的流动结构。通过对数值模拟方和试验测量方法的结果进行分析，得出：在小攻角时，在风洞侧壁边界层与翼型表面边界层相互作用下，仅在翼型模型与侧壁连接处形成较小的角区分离涡。随着攻角的增加，角区分离涡增大。当翼型表面流动发生失速分离时，在翼型中间部分，形成了三维失速胞。随着攻角进一步增加，三维失速胞会从翼型中间部分向翼型段两侧发展，进而抑制角区分离涡的产生和发展，同时其发展也受到了风洞侧壁边界层的限制。通过分析也得出风洞侧壁边界层的存在会引起压力系数降低，在大攻角下，通过消除风洞侧壁分离涡可以使得翼型表面保持二维流动特性。
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热科学学报. 2023, 32(2): 718-728. https://doi.org/10.1007/s11630-023-1754-6
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热科学学报. 2023, 32(2): 729-738. https://doi.org/10.1007/s11630-023-1774-2本文介绍了一种全新的多工况气流角/落后角预测模型。该模型基于叶轮机械中的能量守恒，通过通流理论中的平均方法，构建叶片尾迹的相关参数与主流参数的关系，然后基于经典尾迹分析，以尾迹形态为中间量，进一步构建了不同工况下气流角的预测模型。该模型的优势在于1）可以根据设计工况下叶片的尾迹参数估计非设计工况的气流角，2）可适配当前主流的基于CFD的通流方法。该模型被植入标准的通流程序并在相应的叶栅中进行验证，根据计算结果，本文还对模型进行了进一步的损失修正，实现了对目标叶栅特性曲线的高精度预测。
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热科学学报. 2023, 32(2): 739-752. https://doi.org/10.1007/s11630-023-1743-9为提高多级轴流压气机后面级气动性能，本文提出了一种压气机扩张通道优化设计方法。针对某多级轴流压气机出口级转子搭建了基于遗传算法和神经网络代理模型的扩张通道压气机优化设计平台，优化设计参数包括子午通道扩张角、子午通道扩张长度、叶片弯角和叶片数。根据优化得到的数据库，分析了各设计参数对效率和裕度的影响规律。在优化所得解集中选择了两个扩张通道设计方案，探究了扩张通道设计对效率和裕度的影响规律和机制。结果表明，扩张通道设计可使出口级转子在设计流量点的负荷提高12.1%、效率提高1.28%，同时获得12.50%的裕度改善量。基于当地熵产率损失模型可得，尽管扩张通道转子相较于原型转子，其上下端壁损失增加，但叶型损失明显减小。扩张通道转子的效率受到损失和负荷变化的综合影响。在近失速工况，扩张通道转子叶根区域的堵塞减小是其裕度提升的主要原因。
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热科学学报. 2023, 32(2): 753-769. https://doi.org/10.1007/s11630-022-1744-0在本研究中，数值模拟了二维受限空间中低雷诺数层流狭缝射流冲击等温平板表面的非定常流动和传热特性。基于喷嘴宽度和射流平均入口速度定义的雷诺数分别为120、150和200。结果表明，雷诺数为120、150和200的分别对应于不同的流动特征，即稳态流动、射流柱的间歇拍打运动和连续正弦拍打状态。基于一些不同时刻的流场快照，解释了射流柱间歇拍打运动和连续正弦拍打状态的动力学特性和驱动机制。当射流的雷诺数为150和200时，在滞止区外还有其他的努塞尔数峰值，这与射流两侧脱落的涡旋与平板表面边界层之间的干涉有关。此外，通过动力学模态分解方法，准确提取了具有特征频率的流动模态。当雷诺数为150时，存在一个拍打模态，描述了射流柱的横向拍打运动。当雷诺数为200时，存在与射流的拍打运动有关的多个流动模态，另外还有一个低频模态，反映了回流区边界轮廓和位置的周期性变化。
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热科学学报. 2023, 32(2): 770-785. https://doi.org/10.1007/s11630-023-1750-x本文以低速单转子压气机为研究载体，在周向畸变条件下对前缝后槽机匣处理的扩稳效果进行了实验研究。该型机匣处理的设计考虑了失速裕度提升和效率损失的折衷。前人的研究表明，前缝后槽机匣处理可以在均匀来流条件下拓宽压气机的失速裕度19.79%。为了进一步评估其在畸变条件下的扩稳能力，选取畸变强度分别为0.90%、4.12%和24.75%的三种周向总压畸变来流进行了实验。结果表明，在三种强度畸变条件下，压气机的失速裕度分别下降了7.87%、9.19%和39.08%。在上述三种畸变条件下施加前缝后槽机匣处理能够拓宽压气机的失速裕度达18.48%、17.81%和13.80%。这些结果证实了前缝后槽机匣处理在畸变条件下仍然有效。通过机匣壁面布置的动态压力传感器测量表明，在均匀来流和周向畸变条件下压气机的失速先兆始终是突尖波，这是前缝后槽机匣处理扩稳效果明显的原因。功率谱密度分析结果表明，在同一流量点，施加前缝后槽机匣处理可以抑制旋转失速频带附近出现的扰动，从而推迟失速发生。失速先兆的分析结果表明，光壁条件下压气机的失速先兆均为短尺度突尖波（占据5-6叶片通道），施加前缝后槽机匣处理后压气机的失速先兆尺度变大。在0-4.12%的畸变强度下，失速先兆的尺度约占据10-12个叶片通道。随着畸变强度进一步增加到24.75%，失速先兆的尺度增加到占据16-17个叶片通道。这一现象可以对未来采用机匣处理压气机的失速预警研究提供参考。
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热科学学报. 2023, 32(2): 786-799. https://doi.org/10.1007/s11630-023-1769-z叶栅通道内固有压力梯度下产生的二次横流会将冷气射流扫向叶片吸力面侧，导致压力面侧端壁附近的热负荷增强，从而显著影响端壁的气膜冷却效果。因此，本文提出了一种新型的带肋端壁来抑制通道内的横向次流。使用剪切应力传输湍流模型（SST k-ω）求解三维雷诺平均纳维-斯托克斯（RANS）方程的数值模拟研究了质量流量比和肋条布局对端壁表面流动与气膜冷却效果的影响。结果表明，肋条有效抑制了冷却射流从压力面侧朝吸力面侧的迁移效应，增强了冷却射流沿横向的扩散与覆盖，从而显著提高了端壁表面绝热气膜冷却效率。在端壁布置有三条肋且肋的高度等于一倍气膜孔径的情况下，可以获得最高的端壁表面气膜冷却效率。当冷却射流与主流的质量流量比等于0.52%时，带肋端壁的面积平均绝热气膜冷却效率相比平端壁提高了31.6%。此外，由于叶栅通道内部的横向迁移减少，带肋端壁的气动损失相对平端壁也更低。
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热科学学报. 2023, 32(2): 800-811. https://doi.org/10.1007/s11630-023-1771-5在无围带涡轮动叶栅中，高温燃气在横向压差的作用下通过叶尖间隙，导致叶尖承受过高的热负荷。然而，传统的叶尖结构设计已不适用于恶劣的工作环境。因此，为降低叶尖热负荷以及抑制间隙泄漏流，本文旨在将交错肋、单侧尾缘肩壁和不规则肩壁应用于动叶顶部，组成带肋叶尖，并展开叶尖气热特性数值研究，以分析带肋叶尖对叶尖换热、泄漏流量和涡轮级效率的影响。数值结果表明，带肋叶尖有利于降低叶尖热负荷和泄漏流量。在本文所研究的带肋叶尖中，具有交错肋和更深尾缘腔室的带肋叶尖获得了最小的面积平均换热系数，相对于凹槽叶尖减少了31.41%。此外，带肋叶尖在前缘或中弦区域的密封结构相对于尾缘在抑制泄漏流方面更有效。
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热科学学报. 2023, 32(2): 812-821. https://doi.org/10.1007/s11630-023-1734-2理论和实验分析了金属颗粒的氧化规律，并基于热重分析、X射线衍射分析和扫描电子显微镜的测量，提出了一种新的氧化反应速率模型。该模型是幂律形式的非球形金属氧化反应速率模型，称为蛋壳破裂模型（EBM）。根据新模型，铝颗粒不会以球形反应，而是破裂并以内部液相体流出的方式形成新的非球形表面，反应速率仍由表面积决定。新模型在加热速率为5K/min、10K/min和25K/min，粒度为1-2μm、8-9μm和20-22μm时得到验证。大多数基于球面假设的传统模型使用d2定律，研究发现d2定律与实验数据不一致。新模型给出了一个指数定律并与实验数据吻合较好，这可能有助于更好的理解金属颗粒的氧化机理。
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热科学学报. 2023, 32(2): 822-836. https://doi.org/10.1007/s11630-023-1778-y柔和燃烧在燃气轮机燃烧室的应用中具有超低排放的潜力。本文通过实验和模拟手段研究了在干空气和蒸汽稀释条件下平行射流型柔和燃烧器的燃烧特性。燃烧试验在常压下进行，实验当量比范围由贫燃熄火到接近化学当量比为1，空气含湿量的变化范围从0到0.2 kg/kg。通过建立基于柔和燃烧的简化化学反应器网络模型，模拟研究了蒸汽稀释对不同NO生成途径的影响。实验结果表明，在相同的绝热火焰温度下，随着水蒸气含量的增加，反应区逐渐向下游移动。对于高蒸汽含量(0.2 kg/kg)的工况，燃烧反应区分布较广，反应区内反应强度分布更均匀。反应区的平均抬升高度与空气含湿量成正比例关系。对于含湿量为0.2 kg/kg的工况，反应区的平均抬升高度达到干空气工况的2.5倍，也由此带来吹熄的风险。当绝热火焰温度范围为1650-1900 K，空气含湿量变化范围为0-0.2 kg/kg变化时，氮氧化物的排放始终低于3 ppm(在15%O2下，干空气)，这表明空气含湿量波动较大时该柔和燃烧器能表现出超低氮氧化物排放。模拟结果显示当燃烧器空气入口温度为381 K时，随着蒸汽含量的增加，快速型NO始终在总NO生成量中占主导地位。另外蒸汽稀释也导致CO排放明显升高，低CO排放燃烧的工况范围明显缩小。当空气含湿量达到上限(0.2 kg/kg)时，与干空气工况相比，CO排放量显著增加。此外，具有较高空气含湿量的燃烧工况对应的贫熄火边界对应的当量比也显著较高。
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热科学学报. 2023, 32(2): 837-853. https://doi.org/10.1007/s11630-023-1724-z
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热科学学报. 2023, 32(2): 854-865. https://doi.org/10.1007/s11630-023-1781-3氨具有易燃、易爆和强腐蚀的特性，导致氨泄漏引发的火灾和爆炸事故时有发生。本文根据氨系统泄漏概率风险评估模型计算的泄漏空间氨浓度分布特点，构建时间与空间修正项对泄漏概率风险评估模型进行修正，利用氨系统机房泄漏空间浓度场验证了进行了修正模型的准确性，并对不同的泄漏场景展开了定量分析，以探寻氨制冷系统潜在的危险泄漏点。研究结果表明：随着扩散时间的增加，氨气在泄漏空间内达到可燃下限的时间越长。氨系统中的危险泄漏主要集中在氨储罐和冷凝器部位。氨系统动态泄漏过程中，泄漏孔处的质量流量随泄漏时间逐渐降低，质量流量随泄漏孔直径的增加而增加。当泄漏孔形状越接近圆形，其泄漏孔处的质量流量越大，泄漏空间危险性越高。
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热科学学报. 2023, 32(2): 866-880. https://doi.org/10.1007/s11630-023-1748-4
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热科学学报. 2023, 32(2): 881-896. https://doi.org/10.1007/s11630-023-1751-9本文通过实验方法研究了外部扰动对自由活塞内燃发电机（Free-piston engine genertor,FPEG）运行过程的影响。实验中引入了四个典型的干扰源，即外部负载的突变、混合气流量波动、气缸的随机失火和外部弹性撞击，并将这些扰动源分别施加于稳定运行的FPEG。实验结果表明，FPEG成功地实现了带负载下的连续稳定运行。最大瞬时功率为127W，平均有效功率为38.9W。当外部负载瞬间断开时，发动机运行频率从26.7 Hz增加到31.3 Hz。扰动区感应电压、压力和压缩比的波动幅度分别为18.9%、24.7%和52.2%。相比之下，当外部负载瞬间连接时，相应值的波动幅度分别为42.2%、31.3%和64.3%，表明外部负载突然接入对FPEG运行稳定性的影响更大。尽管FPEG遇到外部负载的突变，FPEG仍能恢复稳定运行，显示FPEG具有良好的抗干扰能力。与提高混合气流量相比，降低混合气流量对发动机运行稳定性的扰动影响更大。尽管气缸内部随机失火会导致活塞位移和气缸压力的显著波动，但FPEG不会停止运行，而是作为单活塞发动机继续工作。实验还表明，轻微碰撞事故可对发动机运行稳定性产生不利影响，但不会导致FPEG停机。然而，严重的碰撞事件则会导致缸内失火和停机事故。
