2025年, 第34卷, 第6期 刊出日期：2025-10-28
-
全选|
-
热科学学报. 2025, 34(6): 1965-1977. https://doi.org/10.1007/s11630-025-2155-9本研究通过数值分析，探讨了传热对微型摆动转子发动机（Micro Swing Rotor Engines, MSRE）热力性能的直接影响。为全面评估传热效应，本文采用了改进的热力模拟模型，结合回归相关公式，并引入流-热弱耦合方法，以获得更具工程实用性的解。数值结果表明，传热对MSRE性能具有显著影响。具体而言，温度循环曲线发生显著变化，在工作频率为100 Hz时，循环残余质量增加72.6%，进气质量下降10.55%。压力循环曲线主要在压缩和膨胀过程中受到影响，压缩阶段压力显著升高（最高达10.55 atm），而燃烧的贡献相对减弱。由此引起的变化使得压缩过程中的发动机功耗增加46.41%，整体热效率降低30.23%。此外，内壁温度每升高100 K，将导致发动机输出功率线性下降0.1 kW，热效率下降0.5%。为缓解上述问题，本文提出了实用的热管理策略，例如采用隔热涂层等方法。本研究强调了传热在MSRE运行中的关键作用，并为优化其热力性能提供了理论依据和设计思路，最高可实现54.68%的输出功率提升和12.79%的效率改善。
-
热科学学报. 2025, 34(6): 1978-1995. https://doi.org/10.1007/s11630-025-2148-8在液氢（LH2）储罐的阀门和密封结构的微隙中，漏热会导致气泡的产生；而环境压力的突然升高会导致气泡溃灭，产生的压力和温度波动对密封面和阀门产生冲击、影响其性能和使用寿命。本文考虑工质热效应、表面张力和粘度对ZGB空化模型进行修正，采用VOF方法对微间隙内液氢气泡的溃灭过程进行数值研究，统计了溃灭过程中气泡中心位置的瞬态压力和温度，研究了微间隙高度、无量纲气泡直径、气泡与壁面距离对气泡溃灭时域特性的影响；利用快速傅里叶变换（FFT）和小波变换（WT）分析了气泡溃灭压力振荡的频率和时频特征。此外，还利用本征正交分解（POD）和动态模态分解（DMD）分析了温度场和压力场的瞬态变化及振荡机制，揭示了 LH2 气泡在微间隙内的溃灭机制。本文研究结果对优化微间隙结构具有一定的参考意义。
-
热科学学报. 2025, 34(6): 1996-2008.高温高压是深部地球科学探索面临的主要挑战。为确保高温高压钻井的安全钻进，根据承压超过25 MPa、温度超过673.15 K（400°C）的试验要求，提出了一种厚壁模拟井筒装置，并对其传热特性进行了研究。为探究筒内流体的动态加热过程，建立了描述耦合传热机制的数学模型。该模型考虑了筒内流体的非线性特性。研究结果表明，动态耦合传热过程中的温度场分布受电磁感应电流和气缸内流体流动的影响。在加热过程中，液体从亚临界状态转变为超临界状态。加热过程中产生的浮力影响容器内的温度分布和漩涡形成。在容器顶部安装冷却系统可有效维持密封区域的低温运行，在加热420分钟内，密封位置的温度不会超过523 K。此外，与初始条件相比，更高电流显著提高最终的液体平均温度和筒壁温度。所提出的模型和求解方法为模拟高温高压井环境下的流固耦合换热提供了一种可靠途径，为设计模拟井筒加热系统奠定了理论基础。
-
热科学学报. 2025, 34(6): 2009-2045. https://doi.org/10.1007/s11630-025-2197-z使用液态金属介质开展芯片散热的相关技术作为一种新兴的芯片散热解决方案，在应对三维集成电路的热管理问题时表现出较好的实用性与广阔的泛用性，因而在近年来受到了广泛关注。液态金属作为一种优良的热传导材料，在替代传统换热流体方面具有很大的潜力。相较于传统的散热方法，这些使用液态金属作为介质的散热技术具有更高的散热效率和更好的散热性能。本文分析了使用液态金属介质开展芯片散热的研究成果，并归纳为五大类:散热介质、通道选择、可用的驱动泵分析、系统性能评估方法与液态金属微流控芯片散热协同设计。本综述旨在为液态金属芯片冷却技术的发展提供理论参考与技术指导。
-
热科学学报. 2025, 34(6): 2046-2058. https://doi.org/10.1007/s11630-025-2194-2太阳能界面水蒸发技术提供了一种零碳、可持续的解决方案，用于从海水和废水中提取清洁水，为应对全球水危机提供一项有效策略。本研究采用有限元模拟来研究太阳能界面蒸发过程，阐明蒸发过程中热、水和盐之间的相互作用，利用拓扑优化技术优化设计蒸发器内部水道。在本项工作中，基于碳基聚合物材料开发一种具有垂直微孔的圆柱形蒸发器模型，分析孔径和孔间距对蒸发速率影响，同时分析热导率、太阳辐射强度和环境风速对蒸发器性能影响。模拟结果显示，在孔径为20 µm、孔间距为0.55 mm时，蒸发器达到最高蒸发速率为0.91 kg/(m2·h)。研究结果表明，较小孔径显著提高蒸发速率，而较大孔间距则使蒸发速率先升高后降低。进一步优化包括使用直径为20 µm的圆形孔，根据拓扑构型调整孔的横截面形状，材料体积分数为0.5，优化后结构展现出2.91 kg/(m2·h)的蒸发速率，相比未优化设计提高了219.78%。这些优化结构和模拟结果为蒸发器设计提供参考。
-
热科学学报. 2025, 34(6): 2059-2071. https://doi.org/10.1007/s11630-025-2202-6随着电子设备功率密度的急剧上升与热源分布不均现象的日益突出，高效散热技术面临着严峻挑战。利用汽液相变传热过程的均热板因具备优异性能和潜在的低成本优势而受到广泛关注。然而，现有依赖毛细液膜蒸发的均热板性能受限于毛细结构的液体输运干涸问题。本文提出了一种采用分级网格毛细结构的大尺寸均热板，基于液膜沸腾模式实现了高效的大功率电子器件冷却性能。该结构采用由泡沫铜与铜粉构成的分区复合柱体，以促进蒸汽扩散输运与两相有序流动。实验研究了填充率与冷却水温度对蒸汽流动及液膜分布的影响。结果表明，热源区X形布置的复合柱可有效强化蒸汽在均热板内的扩散，在热流密度为100 W/cm2、加热面积775 mm2的条件下，热阻低至0.04 °C/W。本研究结果为高性能大尺寸均热板的结构设计提供了理论依据与设计指导。
-
热科学学报. 2025, 34(6): 2072-2086. https://doi.org/10.1007/s11630-025-2195-1燃烧过程中产生的碳烟是具有不同结构的纳米颗粒，这些纳米颗粒受当量比等不同燃烧参数的影响。本文通过拍摄火焰图像观察了RP-3射流火焰特征，初步分析了当量比与碳烟的形成关系，发现随着反应当量比增大，射流火焰高度显著增加，射流火焰颜色由淡蓝色变为亮绿色再变为亮黄色。采集射流火焰不同高度的碳烟颗粒，碳烟量在同一高度处随当量比的增加而增加。对当量比为5时的碳烟颗粒进行拉曼光谱分析进一步揭示了碳峰强度与火焰高度存在对应的关系。拉曼光谱分析表明，随着火焰高度的增加，拉曼信号的强度和面积都显著增加。本工作通过对火焰特征与碳烟形态的研究，有利于理解RP-3火焰中碳烟形成的潜在机制，为优化燃烧过程提供了理论支撑。
-
热科学学报. 2025, 34(6): 2087-2103. https://doi.org/10.1007/s11630-025-2089-2本文主要通过隧道缩尺模型试验，研究不同坡度隧道竖井自然通风排烟特性和临界竖井高度。主要研究了火源位置、竖井设置、火源功率和隧道坡度对竖井排烟的影响，试验结果表明坡度对排烟特性有较大影响。此外，还对坡度隧道完全排烟的临界竖井高度进行了理论和试验研究，研究结果表明，临界竖井高度与火源功率无关，但随着竖井长度的增加，临界竖井高度先减少后保持不变，最后直接减小为零。同时，临界竖井高度随坡度的增大和竖井与火源距离的增大而增大。此外，本文建立了预测临界竖井高度的理论计算模型并进行了验证，研究结果可为坡度隧道竖井自然通风排烟设计提供参考。
-
热科学学报. 2025, 34(6): 2104-2122. https://doi.org/10.1007/s11630-025-2178-2基于流动分解，建立了旋涡式氢泵的动量矩方程、流动方程和能量方程的积分形式。其中，叶轮流道的入口流量被表示为其出口流动状态与侧流道中作用力的函数。基于该流动模型，发展了一个新的设计流程。通过该流程可根据所需的压升和流量确定通流部件的主要几何参数。作为设计流程内容完善的必要组成部分，针对叶片角和叶片数开展了参数化研究。基于流动模型，分析了不同流量、转速、叶片角和叶片数下的流场模拟结果。探讨了效率和压升随上述参数变化的原因，同时总结了有利于性能提升的叶片角和叶片数的取值范围。
-
Performance Prediction and Parameter Optimization for Asymmetric Proton Exchange Membrane Fuel Cells热科学学报. 2025, 34(6): 2123-2139. https://doi.org/10.1007/s11630-025-2141-2质子交换膜燃料电池的全局优化是提高性能和延长寿命的关键步骤。响应面优化方法能够在有限的数据条件下得到较高精度的预测结果。本研究建立了二维结块模型并结合响应面方法，针对非对称质子交换膜燃料电池开展结构参数与操作参数的数值模拟研究，深入解析参数间的交互作用机制，探索以功率密度最大化为目标的最优解。最终构建了平均相对误差低于3%的结构参数和操作参数优化模型。优化后功率密度提升57.4%，其中入口压力被确定为最关键的影响因素。非对称设计能有效强化多孔介质区域的气体传输特性。在结构参数中，阴极厚度具有更显著的影响权重；在操作参数中，压力对电池性能的影响最为突出。最佳温度区间为333 K-343 K，其表现出明显的边际效应。提升相对湿度可提升功率密度，其中阴极湿度的敏感性更高。合理设计非对称参数能够提升燃料电池的水热管理，进而提升能效。
-
热科学学报. 2025, 34(6): 2140-2153. https://doi.org/10.1007/s11630-025-2177-3探究了发动机工况下甲醇/正庚烷双燃料预混气的自燃过程，以及初始温度、入口速度和甲醇替代率（MSR）对双混合气低温燃烧（LTC）与高温燃烧（HTC）的影响规律。研究表明：LTC首先出现在靠近入口的区域，而HTC则以传播的火焰锋面形式出现在低温燃烧后。当MSR达到54%时，由于正庚烷浓度降低导致低温燃烧减弱，混合气的负温度系数（NTC）特性显著弱化。双燃料混合气的点火延迟时间（IDT）随MSR增加而延长，这源于甲醇与正庚烷对OH自由基的竞争消耗，抑制了混合气自燃并延缓了正庚烷的二阶段点火。研究进一步通过定义点火达姆克勒数（Da，即停留时间与点火延迟时间的比值）揭示了混合气的稳定机制：不同入口速度和MSR工况下，低温燃烧对应的Da值均小于1，表明扩散过程主导其燃烧；而高温燃烧具有更大的Da值，说明此时自燃机制主导氧化反应过程。
-
热科学学报. 2025, 34(6): 2154-2166. https://doi.org/10.1007/s11630-025-2191-5极端天气和自然灾害长期困扰着人们，确保在紧急情况下提供电力来源是一个亟待解决的问题。燃烧驱动温差发电机（CPTEG）是解决离网地区和紧急情况下电力供应问题的有前景的解决方案。在“碳达峰”和“碳中和”的背景下，向燃料中添加氢气是减少二氧化碳排放的有效途径之一。本研究探讨了使用丙烷-氢气混合燃料驱动CPTEG的可行性，填补了千瓦级输入功率下独立掺氢CPTEG的研究空白。研究了不同氢气比例（0%‒50%）下的燃烧特性和CPTEG性能，包括燃烧温度、热端/冷端温度、发电功率、热电效率、系统效率和系统有效性。实验结果表明，当输入功率为800 W且掺氢比例小于45%时，燃烧稳定且形成蓝色火焰；当掺氢比例超过45%时，燃烧变得不稳定，检测到明亮的黄色火焰。掺氢对CPTEG性能产生了显著影响。与输入功率为800 W时燃烧纯丙烷产生的发电功率相比，掺氢比例为45%时的发电功率降低了13.0%。掺氢影响了CPTEG的燃烧特性，燃烧稳定性得到了改善，这归因于变异系数的降低。研究发现，掺氢比例为45%时，火焰温度的标准差和变异系数均大幅下降了66.8%。此外，掺氢影响了CPTEG废气中的二氧化碳，在掺氢比例为45%时，CO2浓度降低了11.5%。此外，所开发的CPTEG的总发电功率和热电效率分别为32.4 W和3.24%。
-
热科学学报. 2025, 34(6): 2167-2176. https://doi.org/10.1007/s11630-025-2169-3本文提出了一种新的光学方法，用于确定预混稳定滞止火焰中碳烟生成转捩点，并应用该方法研究了不同高度滞止板对碳烟生成转捩点的影响。该方法通过处理火焰图像相关区域的像素值来量化碳烟的生成。在一系列从无碳烟火焰到富碳烟火焰的连续工况下，通过量化后的碳烟生成量来确定碳烟生成转捩点。结果表明，这种方法能有效捕捉碳烟生成转捩点。对不同 HAB 下的碳烟生成转捩点进行比较后发现，当 HAB 小于 10 mm 时，滞止板对碳烟生成有抑制作用，碳烟生成转捩点所需的当量比随着 HAB 的减小而增大。当 HAB 大于 10 毫米时，滞止板不再影响碳烟生成转捩点。
-
热科学学报. 2025, 34(6): 2177-2195. https://doi.org/10.1007/s11630-025-2158-6燃煤电厂的污染物排放是造成环境问题日益严重的一个重要原因，因此清洁高效利用能源对于减轻环境问题至关重要。本文提出了一种集余热利用和碳捕集于一体的新型槽式太阳能辅助燃煤发电系统。根据能量等级匹配和梯级利用的原则，一部分给水直接驱动碳捕集系统和Kalina循环，然后被太阳能进一步加热。以一个煤电系统作为参考系统（Case 1），将槽式太阳能子系统、Kalina循环子系统、单乙醇胺碳捕集子系统逐步与参考系统整合，形成Case 2 ~ Case 4三个不同的新系统，并对这四个Case进行4E分析。研究结果表明，4种工况在PB工况下的系统热效率分别为44.87%、44.09%、44.14%和43.96%，火用效率分别为44.36%、43.67%、43.69%和43.52%。与Case 1相比，Case 2和Case 4的碳排放量分别降低了11.66 g/kWh、12.57 g/kWh和17.79 g/kWh。Case 1的LCOE为42.62美元/兆瓦时，Case 2至Case 3的LCOE分别降至42.15美元/兆瓦时和42.16美元/兆瓦时，Case 4的平化成本为42.67美元/兆瓦时。与Case 1相比，Case 2-4的二氧化碳排放量分别降低了11.4 g/kWh、12.3 g/kWh和17.6 g/kWh。该研究有望为设计低碳排放的太阳能辅助燃煤发电系统提供参考。
-
热科学学报. 2025, 34(6): 2196-2203. https://doi.org/10.1007/s11630-025-2192-4尽管大气中的甲烷浓度远低于二氧化碳，但其温室效应更强，约占全球温室效应的30%。目前缺少有关去除大气甲烷来缓解气候变化的有效方法。增强生态系统的氧化能力以去除大气甲烷是一种绿色方案。本文提出了利用太阳能热气流发电站（SCPP）结合太阳能池来去除大气甲烷的创新概念。对于该系统，臭氧在太阳光的作用下，光解产生羟基自由基。另外，Fe(III)转化为Fe(II)过程中会释放的氯原子。二者协同降解大气中的甲烷。研究结果表明，单个200兆瓦的SCPP结合太阳能池的系统，每年可消除0.22万吨大气甲烷。在全球范围内建造5400个该系统，每年可去除11.9亿吨大气甲烷，从而实现本世纪温升不超过2°C的气候目标。该设备所需投资约为327万欧元。该提案似乎是缓解气候变暖影响的可行途径，但仍需开发深度模型评估其可行性。
-
热科学学报. 2025, 34(6): 2204-2209. https://doi.org/10.1007/s11630-025-2166-6
-
热科学学报. 2025, 34(6): 2210-2229. https://doi.org/10.1007/s11630-025-2198-y
-
热科学学报. 2025, 34(6): 2230-2249. https://doi.org/10.1007/s11630-025-2205-3近期，利用生物质废弃物提取乙酰丙酸引起了广泛关注。本研究提出了一种创新的乙酰丙酸制备体系，将生物质废弃物与燃煤电站耦合。该多联产系统不仅生产乙酰丙酸，还同时发电、供热，并且系统可以自我维持能源消耗。此外，研究还对该系统的质量平衡、热力学特性及经济性进行了分析。研究表明，纯化后的乙酰丙酸其纯度可达99.8%，生产单位质量产品能耗为62.14 MW，较既有研究同类方案降低36.96 MW。全流程总能量效率与㶲效率分别达到55.16%和61.36%。综合分析表明，该系统可在3.42年内收回初始投资，预计在30年生命周期内创造147,220.37 k$的净现值。
-
热科学学报. 2025, 34(6): 2250-2261. https://doi.org/10.1007/s11630-025-2207-1加压富氧燃烧是一种潜在的具有高效二氧化碳捕获能力的燃烧技术。然而由于实验难度大，目前关于其基础实验研究有限，主要集中在低压区间，对高压环境下研究则相对匮乏。由于点火和挥发分析出是煤燃烧过程中的初始步骤，对燃烧过程影响重大，本研究利用可视化高压沉降炉在0.1至4 MPa的压力条件下，考察了烟煤和无烟煤颗粒在O2/CO2条件下的点火和挥发分析出特性。通过捕捉煤在高压环境下的动态燃烧过程，确定了单颗粒煤的点火延迟时间和挥发分析出时间。结果表明，在固定氧气浓度下，煤颗粒的点火延迟时间会比常压环境更长,烟煤和无烟煤分别表现出均相点火和非均相点火的特性。烟煤的点火延迟时间在初始时刻迅速增加，随后逐渐降低，与0.1 MPa压力下的富氧燃烧相比，气相性质的剧烈变化和挥发物的释放是导致着火延迟增加的主要因素，同时氧分压的增加和更高的换热系数，促进了挥发物的着火，从而缩短了更高压力下的点火延迟时间。此外，烟煤的脱挥发分时间与压力呈正相关，在4 MPa时约为常压下的两倍。这项关于高压下煤着火和脱挥发分的研究加深了对加压富氧燃烧特性的理解，为加压富氧燃烧的应用提供了有力的基础。
-
热科学学报. 2025, 34(6): 2262-2273. https://doi.org/10.1007/s11630-025-2196-0贫油预混预蒸发（LPP）燃烧室的喷雾与流动结构对航空发动机的研发至关重要。本文发展了基于LPP喷嘴的直列五头部光学模型燃烧室，利用高重频高能脉冲激光诊断系统对喷雾与流场特性进行实验研究。通过高速粒子图像测速（PIV）、平面米散射成像（PMIE）以及平面激光诱导荧光（PLIF）技术，探究了燃油/空气流量变化对喷雾锥面积、液滴空间分布、平均流动结构及动力学特性的影响规律。结果表明，相邻喷雾的碰撞对喷嘴之间的外回流区（ORZ）形成起关键作用，而油气比（FAR）对流动与喷雾特征起到总体调控的作用。进一步通过速度脉动与喷雾的联合分析发现，FAR增大会减弱剪切层湍流强度，从而抑制了液体燃料的破碎，并进而导致中央回流区内大尺寸液滴密度的增加，最终引起了雾化性能的下降。
-
热科学学报. 2025, 34(6): 2274-2286. https://doi.org/10.1007/s11630-025-2206-2介质阻挡放电（DBD）等离子体激励器作为一种高效主动流动控制装置，因其在边界层分离控制领域的应用潜力而广受关注。尽管已有大量研究探讨了DBD激励器在不同气动场景中的实际应用与性能表现，但关于等离子体诱导流动控制的基本物理机制仍待深入探索。本研究采用数值模拟方法，对圆柱绕流中的等离子体诱导流动动力学进行探究。圆柱体结构因其几何结构简单，且高曲率表面易引发显著边界层分离现象，因此很适合作为本次研究的对象。通过求解非定常雷诺平均Navier-Stokes（URANS）方程模拟流场，并采用经典数学模型引入等离子体激励效应。本研究将两个DBD等离子体激励器对称安装于圆柱左右两侧，环境空气初始设置为静止状态，最终流场完全由等离子体驱动产生。本研究主要取得两方面突破：首先，对占空比激励信号作用下产生的流场进行仿真模拟，并基于现有实验数据完成验证，重点分析了不同激励模式下涡结构的产生、演化与传播特性；其次，详细研究了时变等离子体体积力对压力分布、表面摩擦阻力和动量传递的影响机制。
