2021年, 第30卷, 第3期 刊出日期：2021-03-25
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热科学学报. 2021, 30(3): 743-757. https://doi.org/10.1007/s11630-021-1444-1中文摘要：由于复杂的外界环境，大型风电机组叶片在运行过程中存在粘性摩阻、流动分离和噪声等气动问题，严重地影响了叶片和机组的性能。因此，急需采取有效的措施来解决上述的问题。近些年，仿鲨鱼皮肋条，仿鲸鱼鳍凹凸前缘和仿猫头鹰翅膀锯齿尾缘的新型流动控制方法被广泛研究，并且在控制效果和控制机理上取得了良好的进展。然而，由于缺乏能够准确地反映仿生结构对流场的影响的模化方法，导致无法对仿生叶片进行优化设计，进而导致这些潜在的技术无法在风电领域中应用。为此，这篇综述论文首次对三种仿生技术的流动控制机理进行集中综述。在此基础上，提出了一些可行的模化思路。最后，再选择典型的翼型计算其周围流动，以验证这些模化方法的可行性和准确性。
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热科学学报. 2021, 30(3): 758-771. https://doi.org/10.1007/s11630-021-1435-2中文摘要：H型垂直轴风力机的气动力和涡特性由于动态失速而变得复杂，尤其是在叶片翼展方向上影响较为突出。这项研究的重点是通过数值仿真和风洞实验评估H型垂直轴风力机在翼展方向上的气动性能和涡特性。叶片表面的压力分布是通过风洞中多点压力测量装着获得，同时通过数值仿真研究叶片不同截面的涡场，对比数值仿真与实验结果分析失速行为。研究发现单叶片的切向力主要由叶片弦向位置x/c≤0.4c提供，同时单叶片的功率主要由方位角范围（60°,150°）内的截面z/（H/2）＝0~0.7提供。在叶片截面位置z/（H/2）=0.5，叶片表面的气流分离出现在吸力面，并逐渐向前缘发展。随着尖端速度比的增加，截面平均功率系数的开始减小位置更接近于中间截面z/（H/2）=0，并且功率系数衰减速度越来越快。当叶尖速比为1.38、2.19和2.58时，叶片截面z/（H/2）=0.9的功率系数分别降低了38.29%、46.78%和56.42%。本文的研究结果为进一步了解H型VAWT的性能特征和涡特性的发展提供了更好的认识。
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热科学学报. 2021, 30(3): 772-781. https://doi.org/10.1007/s11630-021-1344-4中文摘要：本研究设计搭建了一套风能搅拌致热实验平台。通过改变搅拌转子的布置形式和使用的搅拌工质类型，对其在300 rpm转速条件下的致热效果进行了研究。借助CFD数值模拟技术，研究了各个实验组的温升、总热量、加热功率的影响因素，并分析了这些因素对致热效果产生影响的原因。结果表明：增加搅拌转子的布置层数可以增加工质的运动强度，提升加热效果；随着液位的增加，转子区域的有效工质会显著增加；高密度、低粘度、低比热容的工质会是理想的致热工质。
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热科学学报. 2021, 30(3): 782-806. https://doi.org/10.1007/s11630-020-1381-4中文摘要：回热式制冷是一种重要的逆向功热转换循环，其理论性能系数（COP）与卡诺效率相同。实际的回热式制冷机可工作到4 K低温，很大程度上满足了现代技术在许多领域特别是空间应用方面的制冷要求。然而，实际气体效应所带来的与压力相关的焓流，简称为压力焓流，在低于临界点的温度下，使制冷机的理论COP降至卡诺效率的30%以下。本文回顾了从20世纪70年代至今实际气体效应研究的漫长历史，总结了揭示损失机理、减少损失方法两方面的重要研究，阐述了与实验结果和数值模拟结果相一致的理论。本文进一步对包括脉管和排出器间隙的两种膨胀元件进行了分析。而为了探索长期存在的实际气体效应相关谜题，本文给出了一些推论。本文强调了回热器中实际气体损失的根本原因是气体物性的一种间接影响。在展望中本文提议进一步对该理论进行直接实验验证。
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热科学学报. 2021, 30(3): 807-816. https://doi.org/10.1007/s11630-020-1322-2中文摘要：二次再热超超临界锅炉由于具有较高的热效率和良好的环境价值，是高参数大容量燃煤机组的重要发展方向。中国已开发出1000MW二次再热超超临界锅炉，蒸汽参数为35MPa,605°C/613°C/613°C。合理的水冷壁系统设计是确保锅炉安全可靠运行的关键之一，为了得到1000MW二次再热超超临界锅炉的水动力特性，将水冷壁系统等效为由流量回路、压力节点和连接管组成的流动网络系统。根据质量守恒、动量守恒和能量守恒方程，建立了二次再热超超临界锅炉水冷壁水动力计算模型。通过迭代求解非线性方程组，得到了锅炉在BMCR负荷、75%THA负荷以及30%THA负荷下的压降、流量分配、出口汽温分布、工质温度与管壁金属温度沿高度方向的变化趋势。计算结果表明该1000MW二次再热超超临界锅炉水动力特性良好，水冷壁系统设计合理。
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热科学学报. 2021, 30(3): 817-827. https://doi.org/10.1007/s11630-020-1328-9
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热科学学报. 2021, 30(3): 828-839. https://doi.org/10.1007/s11630-021-1458-8中文摘要：将传统燃油汽车所用的空源热泵制热系统直接应用于电动汽车，当车外环境温度较低时，制热能力严重不足，影响驾驶舒适真是行驶安全。采用压缩机中间补气的准二级压缩系统则可以很好的提升热泵冬季的制热性能。冬季寒冷天气下，在电动汽车起步阶段电动汽车制热系统与平稳行驶时不同，车内冷凝器进口温度很低，但制热量需求很大，同时电池放电不足，此时热泵系统的运行情况和控制策略都需要进行优化。本文针对电动汽车用准二级压缩热泵系统在汽车启动阶段的运行特性，尤其针对室外温度在-5℃到-20℃的寒冷天气，开展了一系列的实验研究，并对压缩机转速和压缩机中间补气的状态等对系统制热特性的影响进行深入讨论。根据实验结果的分析，提出了电动汽车启动阶段准二级压缩热泵系统的控制策略。研究结果显示，文中提出的控制方式对提升冬季电动汽车启动阶段的热泵制热能效具有一定效果。
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热科学学报. 2021, 30(3): 840-848. https://doi.org/10.1007/s11630-020-1356-5中文摘要：针对离心泵叶轮叶片形状与其水力性能之间的复杂关系，提出采用本征正交分解（POD）法对离心泵叶轮叶片型线及其流场进行知识挖掘。由三次Bezier曲线对低比转速离心泵叶片型线进行参数化控制，通过拉丁超立方设计（LHD）方法，对叶片包角、叶片进出口安放角进行适当扰动得到所需样本。由NSGA-II算法与RBF相结合对离心泵水力效率和扬程进行多目标优化并得到其Pareto最优解。为进一步分析离心泵叶轮叶片形状与其水力性能之间的关系，采用POD方法对叶片形状与流场结构的关系进行分析。以MH48-12.5型离心泵为研究对象，对多目标优化所得Pareto最优解对应的叶轮叶片型线及相对速度场进行特征分析。结果表明，增加叶片安放角、减小叶片包角可以增大叶轮内的平均动能，从而提高泵的扬程；减小叶片安放角、增大叶片包角可以减小从叶片工作面到叶片背面的速度梯度，从而减小水力损失，提高设计效率。
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热科学学报. 2021, 30(3): 849-858. https://doi.org/10.1007/s11630-020-1370-7中文摘要：本文采用数值模拟结合实验的方法，研究了双叶片自吸离心泵自吸过程中泵内气液两相流流态的变化规律。利用欧拉-欧拉多相流模型和SST k-ω 湍流模型对泵自吸过程开展了数值研究，通过考虑电机转速变化和气体可压缩性进一步优化数值计算的边界设置。通过上述研究，揭示了自吸过程中泵内液位的变化情况，与实验所得的水位变化情况进行对比发现两者具有良好的一致性。对比数值与实验结果发现液体充满进水管的时间分别为22s和24s。自吸泵的自吸过程可分为三个阶段，分别为液体在进水管中的快速上升阶段，缓慢上升阶段和液体被吸入到泵体中的阶段。液体在进水管中上升时，呈现波动上升的状态；回流孔的回流液会在叶片的挤压作用下与空气充分混合形成气泡群，当气泡群经过隔舌时在隔舌和剪切力的共同作用下分离成两部分，一部分被排出到泵体外，另一部分继续在泵内循环。最后，通过数值和实验发现当气体被排出到出水管中时，气泡流型在出水管中呈现泡状流或弹状流形态。
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热科学学报. 2021, 30(3): 859-868. https://doi.org/10.1007/s11630-020-1296-0中文摘要：冷却塔是热力发电厂中重要的冷端设备。人工神经网络是研究冷却塔热力性能的一个重要方法，然而目前关于自然通风逆流湿式冷却塔能效特性的神经网络相关研究还不够充分。本文提出了一种利用BP神经网络预测各种自然通风湿式冷却塔能量效率的新方法。首先，基于电厂36个不同冷却塔内的638组现场试验数据，建立了结构为8-14-2的三层BP神经网络模型。采用BP模型对不同冷却塔的冷却数和蒸发水损进行了预测。结果表明BP神经网络对不同冷却塔的热力性能具有较好的预测结果，预测的冷却数和蒸发损失比例与实验值吻合较好，平均相对误差分别为2.11-4.45%和1.04-4.52%。此外，考虑冷却塔内水的蒸发损失，本文提出的BP模型还可以预测不同冷却塔的能效特性。最后，提出了一种基于人工神经网络模型的自然通风湿式冷却塔能效预测新方法。通过此方法不同冷却塔的能源效率指数(EEI)不需要测量出塔风温和风速就可以很容易地得到。
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热科学学报. 2021, 30(3): 869-879. https://doi.org/10.1007/s11630-021-1373-z中文摘要：超临界CO2非线性变温过程的温度滑移使换热器中的传热夹点展示出了多重特性，如夹点大小、位置分布及其数量，这些特性使跨临界CO2循环热力学性能更复杂,最终会影响系统最优工作状态的评估。基于热力学第二定律，本文提出了一种以温度匹配度为判断指标的传热夹点约束条件下跨临界CO2热泵系统热力学性能评价方法。探讨了传热夹点多重参数特征变化对温度匹配度的影响机理，以及温度匹配度对系统热力学性能影响。分析了温度匹配度与系统COP、㶲效率之间的内在联系，结果表明温度匹配度指标数值的变化可以表征系统COP与㶲效率的变化趋势，即，温度匹配度数值越小，换热流体之间的温度分布越接近Lorenz循环，系统COP与㶲效率则越大。最后探讨了温度匹配度与最优状态控制，结果表明通过监控与温度匹配度指标有本质关系的冷却器CO2出口温度，可在线判断实际工况与最佳工况的偏离程度，有利于实时评估系统的工作状态。
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热科学学报. 2021, 30(3): 880-891. https://doi.org/10.1007/s11630-020-1374-3中文摘要：熔盐和超临界二氧化碳是重要的高温传热介质，但超临界二氧化碳/熔盐换热器的研究少见报道。本文对超临界二氧化碳/熔盐印刷板换热器的传热特性进行模拟和分析。由于超临界二氧化碳在浮力驱动下沿通道壁面上浮，自然对流显著强化了其传热。在进口段，自然对流沿流动方向减弱，理查森数减小，热边界层变厚，超临界二氧化碳局部换热系数明显减小；在出口段，湍流动能逐渐增大，传热系数随之增大，湍流传热增强；因此传热系数沿程先减后增，存在极小值。与跨临界二氧化碳传热相比，超临界二氧化碳在进口段理查森数较小，局部传热系数较低，而在出口段湍流动能较大，局部传热系数较高。换热器的性能主要取决于熔盐通道的压降和超临界二氧化碳通道的传热阻力。当熔盐通道宽度增大时，熔盐压降明显减小，整体传热系数略有变化，从而提高了换热器的综合性能。结果表明，具有三个半圆通道和一个半椭圆通道的印刷板换热器单元具有更好的性能。
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热科学学报. 2021, 30(3): 892-901. https://doi.org/10.1007/s11630-021-1369-8中文摘要：不同类型换热器的建模、设计和性能分析方法是热系统建模及其与其他能源系统模型集成的关键基础。本文基于线性温差与传热量之比定义的热阻，阐释了应用于换热器设计和性能分析的线性传热定律。通过引入修正系数，将其与总传热系数和换热器面积的乘积定义为换热器有效热导，以此可以直接反映流型布置对换热器性能的影响机制。在此基础上，提出了换热器热端传热单元数和冷端传热单元数的概念，结合换热器线性传热定律，推导出了适用于不同类型换热器的标准化通用热阻表达式。并针对顺流、叉流和1-2型TEMA E壳管式换热器，在不引入任何温度的情况下，推导获得了相应的修正系数表达式。进一步通过换热器设计和性能分析两个实例表明，采用基于修正因子的通用热阻方法计算过程简单，无需迭代且计算结果准确，引入的实验也验证了通用热阻法用于换热器性能分析的可行性。也就是说基于修正因子的通用热阻表达式为换热器的建模分析和热系统/综合能源系统的集成建模提供了一个标准化模型。
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热科学学报. 2021, 30(3): 902-913. https://doi.org/10.1007/s11630-020-1275-5中文摘要：在高转数下，旋转对肋化通道中流动和换热的影响在不同的阻塞比（肋高与通道水力直径的比值）下是不同的。但是，目前大多数研究都是在低旋转数（小于0.25）或是单一阻塞比下进行的。本文实验研究了在高转数下（达0.81），阻塞比（0-0.3）对旋转方通道中对流换热和流阻的影响。前后缘上的肋与主流之间的夹角为90°并且交错排列。雷诺数和温度比的研究范围分别是20000-40000、0.08-0.2。实验结果表明:较大的阻塞比能有效提高对流换热系数，但同时流阻也更高;最佳的阻塞比是0.1，此时的综合换热系数是最高的;通道阻塞比较高时，通道的旋转效应会减弱且无法观察到临界旋转数;另外，当温度比增加时，由旋转引起的传热增强更加显著。最后，建立了通道前后缘的对流换热系数与流阻系数的经验关系式。
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热科学学报. 2021, 30(3): 914-925. https://doi.org/10.1007/s11630-020-1280-8中文摘要：液冷板是液冷式电池热管理系统的重要部件。为研究液冷板在热负荷激增工况下的瞬态传热性能，本文建立了电池液冷板的数学模型，并通过实验方法对模型进行了验证，实验结果显示仿真模型与实验之间的误差在2.5%~5%之间。在此基础上，本文分析了冷却液流量、热负荷提升幅度以及通道数对液冷板传热性能的影响。结果表明，当冷却液流量从0.065kg/s上升到0.165kg/s时，液冷板在第540s时的平均温度从28.3℃下降到了26.9℃；液冷板表面温度标准差则呈现先降低、后升高的变化趋势：当冷却液流量高于0.115kg/s时，继续提升流量会导致液冷板表面温度标准差增加。提高热负荷的增加幅度会使得平均温度和温度标准差均出现明显的上升趋势。此外，增加液冷板的通道数对于表面平均温度的积极影响有限，而表面温度标准差则由于冷却液的速度分布不均呈上升趋势。
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热科学学报. 2021, 30(3): 926-938. https://doi.org/10.1007/s11630-021-1409-4中文摘要：对以HFE-347为工质的板式脉动热管的热动力学特性进行了可视化研究。脉动热管竖直放置，充液率为20%至70%、加热功率为20W至140W。采用高速摄像机来记录脉动热管内部两相流，实验观测到了四种不同的流型及四种流动方向。在中等充液率（40%～60%）下的平板脉动热管内部的两相流的流动方向变化最多，而高充液率（70%）的板式脉动热管内部的两相流更容易形成定向循环流动。在高加热功率下（100～140W），中等充液率（40%～60%）及高充液率（70%）的板式脉动热管内部流型主要以混合流为主。在中等加热功率（60～80W）下，由于两相流流动方向的不确定性，导致板式脉动热管的壁温波动较大。两相流在不同流动状态下的传热强度的不同导致了脉动热管温度分布的差异，因此通过红外热成像图可以判断出两相流所处的流动状态及脉动热管的传热性能。
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热科学学报. 2021, 30(3): 939-949. https://doi.org/10.1007/s11630-020-1254-x
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热科学学报. 2021, 30(3): 962-972. https://doi.org/10.1007/s11630-021-1146-z
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热科学学报. 2021, 30(3): 973-982. https://doi.org/10.1007/s11630-021-1469-5中文摘要：本文采用k-w SST湍流模型和三维RANS方程求解方法，利用商用软件ANSYS Fluent，对不同轴向间隙下的叶顶泄漏流动进行了数值研究，分析轴向间隙变化下汽封腔室内的流场特性和叶顶区域泄漏损失的分布规律。研究结果表明：随着轴向间隙增加，叶顶汽封内流场会经历复杂的变化。在较小的轴向间隙下汽封腔室内存在两个旋向相反的涡，分别是腔室内的大涡和围带壁面附近的小涡；随着轴向间隙的增大，围带壁面附近的小涡逐渐消失，当轴向间隙增加到一定值时，汽封低齿后腔室内的大涡出现反向涡动，泄漏量显著增大，动叶出口气流角和掺混损失也变现出了不同程度的变化。在传统叶顶泄漏量计算公式的基础上引入当量汽封齿数构造出了考虑轴向间隙变化的更准确的叶顶泄漏量计算公式。
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热科学学报. 2021, 30(3): 983-998. https://doi.org/10.1007/s11630-020-1371-6中文摘要：在现代高负荷小展弦比高压透平中，叶片通道内的二次流非常强，占据了叶高方向的很大一部分区域。 已有研究大多关注大展弦比环境中尾迹造成的时序效应，对于二次流动的影响还没有完全了解。本文研究了1.5级高压透平的时序效应，重点研究了二次流结构的变化及其对透平性能的影响。利用自主发展的高精度求解器进行了非定常流动模拟，并详细分析了不同时序位置时的损失特性和机理。本文结果表明，对于所研究的多级高压涡轮，静叶/静叶时序位置对损失的影响恰好与已有研究中低压涡轮的相关结论相反，其关键机制是端区二次流动的非定常输运。详细的流动分析表明，来自第一级静叶的尾迹和近叶顶二次流在进入第二级静叶通道后呈现出不同的运动轨迹，对于不同的静叶相对位置，来自第一级的二次流在进入第二级静叶通道后，位置和形态都发生了明显的变化，二次流的不同特性解释了时序效应引起的性能变化。
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热科学学报. 2021, 30(3): 999-1009. https://doi.org/10.1007/s11630-021-1436-1中文摘要：在离心压气机内部，任何形式的间隙都可能导致能量损失。但是本研究发现，扩压器叶片顶部的间隙也会造成压气机稳定裕度的提升。为了增加一台带有串列叶栅扩压器的离心压气机的稳定裕度，研究了不同位置和不同宽度的扩压器叶顶间隙对压气机性能的影响。结果表明，占通道宽度比例为2.5%的叶顶间隙可以将压气机的喘振裕度从33.28%提升至49.2%，稳定裕度从44.2%提升至60.5%，而间隙带来的压比损失和效率损失分别为1.16%和1.14%。间隙宽度不大于5%即可有效扩宽压气机的工作区间，但是当间隙宽度大于5%是，所带来的裕度提升十分有限，而且会造成大量的损失。扩压器叶顶间隙还能一定程度上降低扩压器通道的进口气流马赫数，而且扩压器叶顶间隙的作用会受到叶轮叶顶间隙的影响。因此，轮盖一侧的扩压器叶顶间隙性能略好于轮毂一侧的间隙。本文对数值计算结果进行了实验验证，可以保证本文计算的正确性，并且所得到的研究结论适用于其他带串列叶栅扩压器的压气机。
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热科学学报. 2021, 30(3): 1010-1024. https://doi.org/10.1007/s11630-021-1468-6中文摘要：本文描述了在航空发动机高压涡轮导叶端区采用间断缝与槽孔新型组合结构的气膜冷却特性。间断缝由燃烧室和高压涡轮导向器之间的不均匀热膨胀形成，其通过抑制叶片前缘马蹄涡的发展来改善前缘端区和叶片压力面与端区结合部的气膜冷却有效性。相较于在叶片通道端区布置普通气膜孔，本文引入将普通孔嵌入直沟槽的槽孔结构来提高气膜冷却有效性，主要讨论了横向压力梯度，离散缝冷气和台阶对槽孔中冷气横流的影响。采用三维RANS湍流模型（SSTκ-ω）得到了叶栅模型的流场和气膜冷却有效性，计算了槽孔四个吹风比M=0.5-2.0和两个轴向位置X/Cax=-0.05,0。由于叶栅通道存在横向压力梯度，槽孔内的冷气横流趋向吸力面一侧流动，这与平板通道的两侧流动不同。对于间断缝和槽孔的组合结构，台阶涡把槽内冷气横流卷入槽上游，改变了上游有效性分布。与普通孔相比，槽孔在高吹风比下仍然可以获得更好的气膜冷却有效性。本文还讨论了槽孔轴向位置的影响
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热科学学报. 2021, 30(3): 1025-1033. https://doi.org/10.1007/s11630-020-1343-x中文摘要：离心压缩机可调进口导叶在绕其自身转轴旋转时为了避免与机匣端壁发生碰撞，会在导叶顶部留有圆弧状的间隙，部分气流从间隙处流过而得不到有效调节，并形成叶顶间隙泄漏涡，对主流造成影响，使压缩机性能下降。为了解决这一问题，本文提出了三种导叶通道结构形式的改进方案，包括矩形通道、弧形通道和球形通道，有效地提高了导叶的调节能力。这三种改进的通道与未改进之前的原始形式相比，扩大了压缩机的稳定工况范围，减少了压缩机的功耗，提高了压缩机的效率。综合比较，弧形通道具有更好的效果，并且更容易加工，在实际中应得到广泛应用。
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热科学学报. 2021, 30(3): 1034-1045. https://doi.org/10.1007/s11630-021-1385-8
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热科学学报. 2021, 30(3): 1046-1056. https://doi.org/10.1007/s11630-021-1393-8
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热科学学报. 2021, 30(3): 1068-1076. https://doi.org/10.1007/s11630-021-1432-5中文摘要：微气泡被广泛应用于工业、医疗、农业等各个领域。近年来，为提高微气泡的生产量，降低成本，很多研究致力于微气泡生成技术。然而，微气泡的产生是一个非常复杂的过程。在此过程中，各种复杂的流体动力相互作用于气液两相流。在众多对于微气泡发生器的研究中，文丘里管发生器技术备受关注。这种发生器具有设计简单，制作成本低等特点，并利用文丘里管内的气泡微细化现象产生微气泡。然而，影响文丘里管发生器生成气泡的产量和气泡大小的条件，如喷嘴几何形状和注气等因素并未得到完全的验证。为调查影响文丘里管微气泡生成效率的各种条件，我们对不同几何尺寸及操作条件下的文丘里管发生器进行试验，并评价不同条件下的气泡生成效率。实验结果表明文丘里管的收缩角度和注气对气泡尺寸和产量具有很大的影响。
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热科学学报. 2021, 30(3): 1077-1087. https://doi.org/10.1007/s11630-020-1271-9
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热科学学报. 2021, 30(3): 1088-1095. https://doi.org/10.1007/s11630-020-1329-8中文摘要：对燃气采暖热水炉选取挡风圈尺寸、风机功率、引射距离、喷嘴尺寸和空气相对湿度等五个变量进行5因素4水平的16组正交数值实验，用极差法确定了额定热输入下干烟气中的NOx含量最低时五个因素的最优组合，用极差法和方差法分析了影响额定热输入下干烟气中的NOx含量的因素显著性程度。结果表明，风机功率对NOx的影响最大，挡风圈尺寸和空气相对湿度对NOx的影响次之，引射距离和喷嘴尺寸对NOx的影响最小。燃气采暖热水炉在最优组合参数运行时，获得的额定热输入下干烟气中的NOx含量最低。
