2024年, 第33卷, 第1期 刊出日期：2023-12-28
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热科学学报. 2024, 33(1): 1-17. https://doi.org/10.1007/s11630-023-1885-9随着微加工技术的不断发展，高热流密度微型电子元器件的冷却已成为一个极具吸引力的研究课题。微通道流动沸腾作为一种高效换热方式，在高热流密度散热领域得到了广泛的应用。本文综述了近年来国内外有关低沸点工质在微通道内流动沸腾换热及不稳定性的实验研究。总结并讨论了低沸点工质在不同微通道内流动沸腾的热流特性以及潜在传热机理。对流动沸腾过程中存在的压降和不稳定现象进行了讨论。重点讨论了强化换热和抑制不稳定性的方法，并考虑了各种强化措施，如表面改性和流道几何改变等。最后展望了微尺度流动沸腾领域今后的研究方向。
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热科学学报. 2024, 33(1): 18-28. https://doi.org/10.1007/s11630-023-1903-y使用热阻模型描述FCBGA芯片散热过程是封装领域的一个重要课题。然而，考虑芯片各部分结构所引入热阻的模型仍然较少，但在工程上又十分需要。在这项工作中，构建了考虑导热热阻和扩展热阻的芯片详细热阻网络模型。针对一个FCBGA芯片案例，通过数值模拟芯片温度场厘清了各结构引入热阻及其物理意义。这种模型有助于芯片结温预测，例如，该芯片功率变化±40%时，结温预测的相对误差仅为0.24%；此外，也有助于FCBGA芯片热阻优化方向和优化空间的判定。这项工作为以FCBGA为代表的芯片封装提供了一种新的热阻分析方法。
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热科学学报. 2024, 33(1): 29-40. https://doi.org/10.1007/s11630-023-1894-8本研究制备了一种复合粉末毛细芯，它由铜粉烧结而成，并通过低温热氧化进行了表面处理。它用于改善毛细芯的性能。采用强制流动法和红外成像法测试了样品的渗透性和毛细性能。研究了不同氧化温度对毛细芯性能的影响。实验结果表明，氧化样品的润湿性能明显增强。随着氧化温度的升高，渗透性降低。热氧化样品的毛细高度和速度明显高于未处理的毛细芯。然而，要获得最佳的毛细性能，还需要调整氧化温度。氧化温度为 300°C 时，毛细性能最好，比未经处理的样品提高了46%。与其他复合毛细芯的比较表明，氧化温度为 300°C的样品具有极好的毛细性能，使其成为两相热传导装置的有利替代品。这项研究表明，将低温热氧化技术与粉末烧结技术相结合是提高粉末毛细芯性能的一种便捷而有效的方法。
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热科学学报. 2024, 33(1): 41-55. https://doi.org/10.1007/s11630-023-1889-5受换热器结构和物性变化等因素影响，超临界CO2局部流动传热特性可能沿程变化较大且对换热器的整体性能有较大影响。本文在超临界CO2布雷顿循环回热器工况下，对超临界CO2在正弦波纹流道印刷电路板换热器中局部流动传热特性开展了数值模拟研究。基于包含10个周期性结构的物理模型，本文分析了Re数、热流大小、Nu数、二次流强度以及其他相关参数在回热器冷热侧的沿程变化情况，探讨了其变化原因，并进一步比较了高温回热器（HTR）和低温回热器（LTR）在冷热侧的流动传热特性沿程变化差异。研究发现，回热器（特别是低温回热器）中局部流动传热特性沿程变化极大，这些变化与热物性参数的复杂变化、浮升力以及周期性变化的离心力等因素相关。LTR中冷侧的局部Re数和对流换热系数从入口到出口的变化幅度分别可达127.5%和61.7%，因此LTR冷侧的对流换热系数不能视为定值或简单取平均处理，换热设计过程中也需要考虑流换热系数的沿程分布情况的影响。论文也发现，当波纹角大于25°时，波纹角相比质量流量对通道内的流场影响更大。此外，重力方向（回热器放置方向）对局部流动传热特性影响较大，但对整体换热效果较小（0.2%）。
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热科学学报. 2024, 33(1): 56-69. https://doi.org/10.1007/s11630-023-1911-yThis study investigated the effects of zigzag-flow channel bending angle in printed circuit heat exchangers (PCHEs) using a computational fluid dynamics method with ANSYS-FLUENT simulation. The three-dimensional model of PCHE with a 15° curved, zigzag channel was conducted for preliminary validation. The comparisons between the CFD simulation results and the experimental data showed good agreement with some discrepancies in the heat transfer and pressure drop results. In addition, different bending angle configurations (0°, 3° to 30°) of zigzag channels were analyzed to obtain better thermal-hydraulic performance of the zigzag channel PCHE under different inlet mass flow rates. The criteria of heat transfer and frictional factor were applied to evaluate the thermal-hydraulic performance of the PCHE. The results showed that the 6° and 9° bending channel provided good thermal-hydraulic performance. New correlations were developed using the 6° and 9° bending channel angles in PCHE designs to predict the Nusselt number and friction factor.
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热科学学报. 2024, 33(1): 70-85. https://doi.org/10.1007/s11630-023-1880-1研究熔盐在微米尺度下的熔化过程对于探究固液相变机理至关重要。本文提出了一种新颖的实验装置及实验分析方法，研究了太阳盐在微米尺度下1-10 °C/min三种加热速率下的熔化过程。重点研究了熔盐颗粒的固液相边界形貌结构和相转变动力学。同时，研究了不同加热速率下液体分数、温度和时间之间的关系式。通过可视化实验装置捕捉了固液相边界形貌结构，并获得了非等温相变过程中的瞬时液体体积分数。然后，提出了温度与液体体积分数之间的关联式，揭示了不同加热速率下固液相边界随温度变化的演变规律。此外，通过引入常数 (Va,b)，建立了非等温相变动力学方程，并研究了更多动力学参数，如 lgVa,b 和 -lgVa,b/b。结果表明，对于太阳盐，指数 b 对不同加热速率并不敏感，范围为 3-5。然而，加热速率会影响 Va,b 的值，并呈现出正相关关系。此外，通过提出的改进实验测试方法，可以快速预测 1-10 °C/min 范围内不同加热速率下的非等温相转变动力学方程。该研究填补了微米尺度下熔盐固液相转变机理的研究空白，为今后的研究提供了重要指导。
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热科学学报. 2024, 33(1): 86-100. https://doi.org/10.1007/s11630-023-1914-8本研究基于COMSOL多物理场仿真软件，对液态金属锂在真空自由分子流状态下的蒸发过程进行了建模和数值模拟。通过系列研究，分析了锂原子在蒸发过程中的运动状况。根据现有的液态金属锂饱和蒸汽压实验值，得到了液态金属锂在600 K-900 K范围内饱和蒸汽压与温度的关系。建立了二维对称模型(3.5 mm×20 mm)，分别模拟了750 K、780 K、800 K、810 K、825 K和850 K壁温下液态锂的瞬态蒸发过程。研究了温度、蒸发系数、背压和长径比对蒸发过程的影响，分析了蒸发过程中分子通量和压力的变化趋势及原因。同时，模拟了变壁温条件下的蒸发过程。本研究使液态锂在真空分子流中的蒸发过程更加清晰，为空间反应堆和核聚变相关领域提供了理论支持。
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热科学学报. 2024, 33(1): 101-113. https://doi.org/10.1007/s11630-023-1897-5采用大涡模拟探究了竖直通道内超临界二氧化碳的流动和传热特性。对OpenFOAM 7中buoyantPimpleFOAM求解器进行了改进，验证了数值模型的准确性。模拟结果表明，增大格拉晓夫数降低了管内流体的流动稳定性，使流动转捩提前。混合对流转捩的传热过程依次经历四个阶段，即传热抑制、传热强化、传热恢复和正常传热。从热边界层、湍流输运和伪沸腾理论三个角度对转捩过程中的传热现象进行了分析。转捩阶段的传热强化与超临界分子团簇的输运有关，这些分子团簇在拟沸腾理论中被视为伪泡。伪相的流型包括单相流、稳定的伪膜流、非定常伪膜流、局部伪泡流和絮状伪膜流。伪泡具有与亚临界气泡相似的破碎、变形、凝结、聚并等行为。本研究的相关工作有助于解释超临界流体在转捩过程中的传热机理。
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热科学学报. 2024, 33(1): 114-125. https://doi.org/10.1007/s11630-023-1857-0超临界二氧化碳(S-CO2)布雷顿循环具有高效、紧凑等优点，在能源动力领域具有广阔的发展前景。离心压缩机是S-CO2布雷顿循环的核心部件之一。为提高循环效率，一般将离心压缩机进口条件设计为二氧化碳临界点附近。当离心压缩机进口温度接近临界点时，工质密度急剧增加，导致体积流量大幅下降、效率降低。本文研究了小流量工况下S-CO2压缩机的流动损失机理。对不同入口温度和不同质量流量条件下的S-CO2压缩机进行了计算流体力学(CFD)仿真分析。S-CO2压缩机在小体积流量工况的流动损失机理与空气压缩机不同，流动损失主要发生在靠近叶片尾缘吸力面附近，与主叶片吸力面侧产生的逆时针旋涡有关。该旋涡由叶轮通道下游区域的流动分离引起。流动分离的形成机制为：S-CO2压缩机工质密度大，科里奥利力对工质流动的影响比粘性力和惯性力大得多；小流量工况下，在科里奥利力的作用下，叶轮流道中的相对流速偏向圆周方向，导致径向分量较低，在主叶片尾缘附近吸力面逆压梯度的作用下发生严重流动分离。
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热科学学报. 2024, 33(1): 126-137. https://doi.org/10.1007/s11630-023-1876-x以超临界碳氢燃料为冷却剂的主动再生冷却被认为是超燃冲压发动机的最具前景热防护方法之一。热浮力会导致强烈的流动各向异性和热传输特性，为分析超临界碳氢燃料湍流输运机制，采用大涡模拟（LES）数值方法对不同湍流尺度下热浮力湍流脉动演化规律进行研究。发现在热分层流中，惯性力和浮升力一起主导分层湍流的发生、发展和衰退；空间热浮力效应显著抑制垂向脉动强度，随着热浮力和惯性力充分发展，两力极大地削弱垂向及流向脉动强度；此外，指出近壁区热输运特性需重点关注，温度混合边界层变薄致使垂向热通量衰减，抑制垂向温度扩散，易发生传热恶化极端工况。相关成果可丰富学术界对超临界流体流动传热机理的认识。
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热科学学报. 2024, 33(1): 138-157. https://doi.org/10.1007/s11630-023-1823-x非轴对称端壁造型通常被用来控制涡轮的二次流。多数端壁造型研究针对单级叶排工况开展，级环境下的研究较为缺乏。因此，本文探究了端壁造型对某高负荷涡轮叶栅端壁二次流损失的控制机理；研究将三角翼旋流发生器安置于涡轮叶栅上游，用来模拟级环境下来流涡干涉工况。在无来流涡干涉的条件下，采用自主的优化平台对该高负荷涡轮叶栅开展非轴对称端壁优化，并在来流涡干涉条件下开展数值模拟研究。结果表明：端壁造型能够有效改善涡轮叶栅端壁二次流流场，使得其总压损失系数和二次动能系数分别下降7.3%和45.7%。在来流涡干涉条件下，端壁造型依旧能够对涡轮叶栅端壁二次流产生良好的控制效果，具有非轴对称端壁的涡轮叶栅的总压损失系数二次动能系数相较于轴对称端壁涡轮叶栅分别平均降低了7.8%和14.2%。在特定位置来流涡干涉下，轴对称叶栅端壁横向二次流迁移受来流涡影响，叶栅总压损失降低。4/7周向位置来流涡到达叶片前缘，导致大量低能流体的产生，涡轮叶栅马蹄涡大小和强度均被增加。来流涡处于所有周向位置条件下，非轴对称端壁造型均能有效显著抑制二次流涡系，例如通道涡和反涡。
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热科学学报. 2024, 33(1): 158-171. https://doi.org/10.1007/s11630-023-1929-1本文采用实验和数值计算相结合的方法研究了高负荷跨音速压气机叶栅中激波边界层相互作用（SBLI）现象。试验过程中采用 纹影技术捕捉叶栅中的激波结构，并使用压力探针测量叶片表面的静压分布。同时，采用快速响应压力敏感漆（PSP）技术测量了整个叶片表面的非定常压力分布，捕捉到了 SBLI 引起的激波振荡特征。此外，采用三维RANS对跨音速叶栅中的定常流场进行了数值模拟。结果发现，随着马赫数的增加，设计状态下SBLI现象发生明显的变化，尤其是在 SBLI 引起的分离气泡存在的情况下。值得注意的是，在马赫数为 0.85 时， PSP 技术测量的叶片表面时均压力场呈对称分布，而在马赫数为 0.90 和 0.95 时则呈非对称分布。通过分析PSP瞬态结果发现，激波低频振荡现象与叶片表面的分离泡密切相关，振幅几乎可以横跨一个压力探孔间隔，因此激波的振荡可能会影响到压力探针对于激波位置处压力突变的捕捉。
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热科学学报. 2024, 33(1): 172-189. https://doi.org/10.1007/s11630-023-1904-x对于带有热障涂层的涡轮叶片，快速且准确的评估其温度分布具有非常重要的意义，尤其是在设计阶段。基于不同程度的简化，诸如是否考虑热障涂层厚度对流道尺寸的改变、是否考虑热障涂层的面内导热等，研究人员在采用流热耦合方法评估带热障涂层的涡轮叶片基体温度分布的时候，提出并采用了3种方法来模拟热障涂层。然而，在上述3种方法对温度评估结果的影响方面，尚未看到公开的研究和探讨。因此，本文设计了3种几何模型，以对上述3种热障涂层模拟方法开展对比研究。第1种几何模型是一个固体导热模型，模型包含基体层和热障涂层。第2种几何模型是一个带有内部冷却和热障涂层的跨音叶栅。第3种几何模型是一个带有圆柱气膜孔和热障涂层的平板气膜冷却模型。结果显示，对于本文中的固体导热模型，在相同的热障涂层表面温度下，3种模拟方法得到的涂层基体界面区的温度分布差异在工程上可忽略不计。对于带内部冷却和热障涂层的跨音叶栅，考虑涂层真实厚度的模拟方法与忽略其真实厚度的2种模拟方法对比，涂层基体界面局部高温点的最大温度差异出现在尾缘位置。前缘位置处的差异小于2K。对于平板气膜冷却模型，不同模拟方法下的展向平均温度的差异可达6K，其主要原因是热障涂层改变了气膜孔的长径比。如果在考虑热障涂层真实厚度的情况下，将基体厚度相应减少以保持气膜孔长径比不变，那么3种模拟方法得到的结果差异则可以忽略。
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热科学学报. 2024, 33(1): 190-206. https://doi.org/10.1007/s11630-023-1839-2超临界CO2（S-CO2）布雷顿循环因其具有提高效率和降低成本的潜力而有望在塔式太阳能热发电系统中取代蒸汽朗肯循环。由于配置储热装置的聚光式太阳能热发电站通常位于干旱地区并且用于提供可灵活调节的输出电力，因此S-CO2布雷顿循环不得不在波动的气温和多样的电力需求场景下运行。此外，循环设计工况将直接影响非设计工况性能。在本研究中，分析了设计工况、气温和电力需求的分布对循环运行性能的综合影响，并率先提出了非设计工况性能图谱，独创性地提出了一种在不同气温和电力需求条件下具有运行性能反馈机制的循环设计方法。结果表明，压缩机入口温度选取低取值设计方案不利于循环在低负荷下高效运行和在高气温下保持足够出力。年均效率受平均电力需求的影响最大，而负荷满足系数受平均气温的影响显著。通过多目标优化，压缩机入口温度设计值的最优解在气温较低的德令哈地区接近最小值35°C，而在气温较高、平均电力需求较低、高温期内峰值负荷较大且持续时间较长的情景下，达格特地区的最优解达到44.15°C。如果将Daggett地区轻工业电力需求应用场景下的循环压缩机入口温度设计为35°C而不是44.15°C，则负荷满足系数将降低0.027，但年均效率几乎无法提高。
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热科学学报. 2024, 33(1): 207-221. https://doi.org/10.1007/s11630-023-1882-z本文通过实验研究了贫预混模型燃烧器中CO2对冲多孔射流对热声不稳定性和NOx排放的影响。从CO2射流流量、孔数和喷嘴孔径三个变量方面验证了其可行性。结果表明，随着开孔率的增加，热声不稳定性和NOx排放的控制效果总体上呈相反趋势，CO2对冲多孔射流的最佳射流流量范围为1-4 L/min。在该流量范围内，动态压力和热释放信号CH*的幅值和频率基本上随着CO2流量的增加而减小，这避免了高频和高振幅的热声不稳定性。在最佳开孔率为3.72%下，动态压力和CH*的幅值抑制比分别高达98.75%和93.64%。NOx排放也随着射流流量的增加而减少，最大抑制率可达68.14%。此外，在CO2对冲多孔射流作用下，火焰形状从陡峭的倒“V”形变为更平坦的“M”形，火焰长度将变得更短。该研究实现了热声不稳定性和NOx排放的同步控制，可为构建更安全、更清洁的燃烧器提供设计参考。
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热科学学报. 2024, 33(1): 222-234. https://doi.org/10.1007/s11630-023-1898-4现代航空发动机对加力燃烧室的紧凑火焰稳定器的要求越来越高。然而，在现代加力燃烧室中，高入口温度、高速度和复杂的结构会导致复杂的湍流、燃烧和喷雾耦合，因此，火焰稳定器的设计并非易事。本文采用LES-pdf方法和随机场-拉格朗日粒子喷雾方法研究了新型凹腔支板火焰稳定器形成的甲烷和航空煤油燃烧结构。分析、讨论了气体和液体燃料在凹形火焰支架周围的流动规律、燃烧方式和火焰结构，并与实验结果进行了比较。结果表明，凹腔支板火焰稳定器的火焰稳定性优于无凹腔的支板火焰稳定器。此外，当使用液体燃料时，凹腔支板火焰稳定器能够形成稳定而致密的火焰。这些结果表明，凹腔支板火焰稳定器是一种有前途的紧凑型加力燃烧器的设计方案。
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热科学学报. 2024, 33(1): 235-248. https://doi.org/10.1007/s11630-023-1854-3本文报道了由声激励引起的火焰振荡可以有效地抑制Rijke型燃烧器中碳烟的产生。当声学频率接近燃烧器系统的固有频率时，会产生共振，导致火焰剧烈振荡。讨论了不同火焰位置驻波声场与碳烟抑制效率之间的关系。与自激振荡下相比，当火焰中引入外力时，玻璃管中的振荡燃烧发生在更大的区域。在不同位置处不同的碳烟抑制效率的根本原因是驻波声场导致颗粒在玻璃管的不同位置以不同的速度移动。轴向颗粒速度差导致声涡流的形成和火焰形状的变化。高颗粒速度使玻璃管内的空气进入湍流状态，使火焰温度上升。仿真结果表明，在声学振荡下，碳烟的表面生长速率降低，而氧化速率提高，从而抑制了碳烟的生长。该研究可为振荡燃烧在碳烟抑制中的实际应用提供一些参考。
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热科学学报. 2024, 33(1): 249-267. https://doi.org/10.1007/s11630-023-1875-y在30 kW的自预热燃烧系统中，研究了轴向二次风和径向二次风间的交互作用及还原区的还原强度对燃烧特性及NOx排放的影响。结果表明，二者的交互作用和还原强度对下行燃烧室（DFC）内的燃烧和NOx排放有较大影响。在温度分布上，随着轴向二次风与径向二次风之比（R2-12）的减小或总二次风之比（λ2）的增大，二者的交互作用导致主燃烧区位置下移，且两者的影响同样存在相互作用。随着一级三次风与二级三次风之比（R3-12）的增大，还原强度的减小也导致主燃烧区位置下移，且该区域内的峰值温度逐渐升高。对于NOx排放，λ2或R2-12较高时，二者的交互作用对NOx的还原有不利影响，且影响范围较大。因此，随着λ2或R2-12的增加，NOx排放量明显增加。在均相还原机制下，还原强度降低导致NOx排放量增加，而在非均相还原机制下，NOx排放量则保持较高水平不变。在燃烧效率方面，当R2-12较低时，随着λ2增加，燃烧效率提高；当R2-12较高时，随着λ2过度增加，燃烧效率降低。适当降低还原强度可显著提高燃烧效率，而过度降低还原性强度则难以进一步提高燃烧效率。本研究通过优化交互作用和还原强度，在不牺牲燃烧效率的前提下，最低NOx排放量仅为41.75 mg/m3。
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热科学学报. 2024, 33(1): 268-283. https://doi.org/10.1007/s11630-023-1873-0改变ZSM-5催化剂的表面酸度对于获得所需的丙烯选择性和产率至关重要。使用了几种不同的Zr比例通过火焰喷雾燃烧和脉冲喷雾蒸发系统改性ZSM-5。在火焰中Zr与ZSM-5的相互作用影响了Zr/ZSM-5的理化性质和酸度。随着ZSM-5中Zr比例的增加, 形成了不规则纳米级Zr覆盖层,以及由于Zr和ZSM-5之间的协同作用导致的晶粒尺寸增加。表面化学分析显示,与其他样品相比,Zr改性ZSM-5(1:4)样品的晶格氧含量增加。酸度分析表明Lewis酸和Brønsted酸分布在催化剂表面弱酸和中等酸位点。然而,Zr负载量的增加降低了Brønsted酸位点的浓度,并将催化剂表面调谐为更多的Lewis酸性,促进丙烯选择性,抑制丙烯过氧化。改性ZSM-5催化剂在固定床反应器内于300-700°C和空速(GHSV) 6000 mL·g-1cat·h-1条件下测试了丙烷氧化脱氢(ODHP)制丙烯性能。在这些催化剂中,Zr/ZSM-5(1:4) 表现出最好的丙烯产率,丙烷转化率为57.19%,丙烯选择性为75.54%,稳定性最高。这项工作提出了用Zr调节ZSM-5表面酸度的策略,可应用于ODHP等过程。
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热科学学报. 2024, 33(1): 284-299. https://doi.org/10.1007/s11630-023-1869-9Staged combustion of biomass is the most suitable thermo-chemical conversion for achieving lower gaseous emissions and higher fuel conversion rates. In a staged fixed bed combustion of biomass, combustion air is supplied in two stages. In the first stage, primary air is provided below the fuel, whereas in the later stage, secondary air is supplied in the freeboard region. The available literature on the effects of air staging (secondary air location) at a constant primary air flow rate on combustion characteristics in a batch-type fixed bed combustor is limited and hence warrants further investigations. This study resolves the effect of air staging, by varying the location of secondary air in the freeboard at five secondary to total air ratios in a batch-type fixed bed combustor. Results are reported for the effects of these controlled parameters on fuel conversion rate, overall gaseous emissions (CO2, CO and NOx) and temperature distributions. The fuel used throughout was densified hardwood pellets.
Results show that a primary freeboard length (distance between fuel bed top and secondary air injection) of 200 mm has higher fuel conversion rates and temperatures as well as lower CO emissions, at a secondary to total air ratio of 0.75 as compared to primary freeboard length of 300 mm. However, NOx emissions were found to be lower for a primary freeboard length of 300 mm as compared to 200 mm. An increase in secondary to total air ratio from 0.33 to 0.75 resulted in higher freeboard temperatures and lower CO as well as NOx emissions. The outcomes of this study will be helpful in the effective design of commercial scale biomass combustors for more efficient and environmentally friendly combustion.
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热科学学报. 2024, 33(1): 300-310. https://doi.org/10.1007/s11630-023-1877-9煤气化技术是煤化工行业的一项重要技术，是煤基化学品、煤基液体燃料、IGCC 发电、多联产系统、制氢和燃料电池等各种加工工业的基础。气化过程会产生大量灰渣，年排放量超过数千万吨，累积量达数亿吨。因此，迫切需要研究处理灰渣的方法。我们在管式炉中进行了气化细灰（GFA）的燃烧试验，并对传统的缩核模型进行了改进，以准确预测不同温度（900°C-1500°C）下的燃烧行为。我们将反应温度分为三个范围，即未熔化燃烧（T<DT）、熔化燃烧（T>FT）和混合燃烧（DT<T<FT）。未熔化燃烧和熔化燃烧的反应速率差异很大。在DT＜T＜FT范围内，气化细灰颗粒中的灰分以液固态存在，粘度高，流动性低，但仍粘附在颗粒表面，延长了颗粒的燃尽时间。在T＞FT时，气化细灰颗粒表面灰分脱落，残碳和气相反应物几乎不再受到扩散阻力的影响，从而大大加快了内部残碳的反应速度。为了更准确地预测熔融燃烧过程，对缩核模型（SCM）的时间项进行了修正，并定义了 T＞FT 的有效扩散系数。
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热科学学报. 2024, 33(1): 311-327. https://doi.org/10.1007/s11630-023-1878-8随着航空发动机中燃烧室与涡轮相互作用不断增强，考虑燃烧室出口旋流的气膜冷却设计已成为研究热点。旋流和高温燃气首先影响叶片前缘。然而，目前还没有针对考虑燃烧室出口旋流的情况下提出前缘冷却的改进方法。本文围绕着采用前倾扇形孔和减小冷气出流角这两种方式开展了喷淋冷却改进方案的研究。采用压敏涂料(PSP)实验和数值模拟的方法分别获得了气膜冷却效率和冷气流动状态。结果表明：旋流通过在叶片上施加径向压力梯度使气膜在部分位置过度聚集，这增加了气膜分布的不均匀性。喷淋冷却采用前倾扇形孔会降低冷气出流时的动量。虽然这种改进方案改善了气膜的贴敷使面平均气膜冷却效率提高了15.4%，但是会增大气膜分布的不均匀性。减小冷气出流角后，冷气的壁面切向速度增大，壁面法向速度减小。在旋流进气条件下，气膜冷却效率和气膜分布的均匀性都显著提高，面平均气膜冷却效率的提升可达16.5%。本文研究了两种提升旋流进气条件下喷淋冷却的改进方案，希望为叶片的冷却设计提供参考。
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热科学学报. 2024, 33(1): 328-347. https://doi.org/10.1007/s11630-023-1896-6采用高效、紧凑、灵活的超临界二氧化碳（sCO2）布雷顿循环动力系统有助于提升核动力船舶性能。本文旨在设计并提出适用于核动力船舶的sCO2循环系统，并对几种核动力sCO2循环系统方案的热力学效率、设备成本、设备体积和系统部分负荷性能进行了评估。此外，本文还研究和比较了系统采用四种不同的负荷跟随策略时的热力学性能。结果表明，基于部分冷却循环的系统不仅具有较高的设计热效率和较小的设备体积、设备成本，还能在部分负荷工况下保持相对较高的热效率。采用同时调节透平和压缩机转速的负荷跟随策略可以使压缩机远离喘振区，并使循环系统在部分负荷时更加灵活高效。
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热科学学报. 2024, 33(1): 348-367. https://doi.org/10.1007/s11630-023-1901-0烟气再循环控制(exhaust gas recirculation control, EGRC)是一种进气加热技术，可以与进口/可变导叶控制(inlet guide vane/variable guide vane control, IGV/VGVC)和燃料流量控制(fuel flow control, FFC)共同用于负荷调节，从而有效地改善燃气轮机联合循环(Gas turbine combined cycle, GTCC)的部分负荷(变工况)性能。首先，建立了E级、F级和H级EGR-GTCC设计工况和变工况系统模型，并将其进行了验证。然后，对比分析了E/F/H级GTCC在EGR-IGV-FFC策略和传统IGV-FFC策略下的部分负荷性能。结果表明，EGR-IGV-FFC对E级、F级与H级GTCC系统部分负荷性能均具改善效果，并且在部分负荷下可得到比IGV-FFC更高的联合循环效率。然而，随着燃气轮机级别的提高，EGR作用负荷范围缩小，EGR与IGV调节引起燃气轮机性能下降，导致EGR-IGV-FFC对GTCC系统部分负荷性能的改善效果逐渐减小。此外，在负荷低于50%时，EGR-IGV-FFC对H级GTCC性能的改善效果不如IGV-FFC。本文结果可用于指导各级别GTCC系统部分负荷性能改善。
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热科学学报. 2024, 33(1): 368-382. https://doi.org/10.1007/s11630-023-1808-9选择性吸收纳米流体可以预先吸收光伏电池无法利用的太阳长，并将剩余的太阳能传递到光伏电池的表面，在空间上将光伏电池与热吸收器解耦。为了提高全光谱利用效率，设计纳米流体的光学窗口（将732 nm至1067 nm波长的太阳能透射到光伏电池表面并吸收剩余太阳能）非常重要。然而，设计这样的光学窗口面临以下挑战：（1）单个纳米颗粒固有的窄带吸收；（2）透射率计算方法被简化；（3）忽略了纳米颗粒的形状对透射率的影响。本研究提出了利用多种纳米颗粒耦合效应设计光学窗口的想法，通过叠加不同纳米颗粒的窄带吸收，获得整个混合纳米流体的宽带吸收。此外，采用改进透射法考虑空气/容器和液体/容器界面处的光物质相互作用来计算透射率。改进透射法计算的结果比广泛使用的传统Lambert-Beer定律更准确，并通过实验测试验证。此外，还研究了纳米颗粒形状对光谱透过率的影响，结果显示，与纳米球形银相比，刺状银可以将吸收范围从400 nm扩展到600 nm。最后，结果表明，具有多种纳米颗粒耦合（Ag、带刺Ag、ZnO、ITO）的纳米流体的光学滤效率可以达到35%。
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热科学学报. 2024, 33(1): 383-393. https://doi.org/10.1007/s11630-023-1891-y塑性结晶新戊二醇（NPG）具有庞压卡效应。然而，它们的应用在几个方面受到限制，例如低导热系数、大热滞后和差回弹性能。在本研究中，选择了具有超高导热率和高机械强度的多壁碳纳米管（MWCNTs）来增强NPG的性能。最佳混合比例被确定为NPG与3wt%MWCNTs的复合材料，该复合材料在牺牲较少的相变焓的情况下能够将过冷度降低6K。随后，最佳配比的复合材料的综合性能与纯NPG进行了比较。在40 MPa的情况下，观察到390 J·K–1·kg–1的熵变化和9.9 K的温度变化。此外，所需的最小驱动压力降低了19.2%，以实现可逆的压热效应。此外，复合材料的热导率提高了约28%，显著缩短了压热制冷循环中的热交换时间。更为重要的是，超高的压力释放率使复合材料的回弹时间减少了73.7%，为恢复膨胀功提供了新的机会。
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热科学学报. 2024, 33(1): 394. https://doi.org/10.1007/s11630-024-1941-0
