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[硕士论文] 于硕
化学工程 北京化工大学 2018(学位年度)
摘要:板式换热器(PHE)是一种紧凑型换热器,由于其传热效率好、比表面积大等特点,在工业生产中有十分广泛的应用。由于板式换热器板间形成的流道内流动较为复杂,传统的实验研究手段效果较差,计算流体力学非常适用于板式换热器的研究及优化工作。学者对板式换热器工程应用的研究较多,现有对于板间流道的流动特性的有效研究工作较少,同时针对流道内流动对传热影响以及强化传热的研究不够。本文采用了Fluent软件揭示板式换热器流动特性对传热影响的机理,主要工作内容及结论如下:
  (1)建立了满足大涡模拟要求的板式换热器流动计算模型。为了在保证计算精度的同时尽可能的降低计算成本,本文对重复单元数较少的流道模型进行了高分辨率的网格划分,并在模型左右壁面采用了周期边界条件。
  (2)板式换热器流道内湍流边界层的流动特性的研究。引入时间变量,分析不同时刻下板片流道内湍流边界层处的流型、速度、湍流动能分布。并且发现板式换热器流道内的流动存在周期性。
  (3)板式换热器内流动特性对传热影响的研究。板间上下层流道的拖拽作用使得流动介质在流道内旋转向前流动,传热效果较好。泄流区域的传热效果较好,但流动较为混乱,受其影响在附近产生了流动死区。流动死区的传热效果较差,阻力损失大。
[硕士论文] 王宝刚
动力机械及工程 合肥工业大学 2018(学位年度)
摘要:管式加热炉应用广泛,其燃烧与污染物排放控制技术向来都是国内外学者关注和研究的热点。本文在调研管式加热炉燃烧与污染物排放技术、气体燃烧及其火焰稳定性的基础上,实验研究了喷嘴直径、燃气流速以及不同当量比对气体燃烧火焰特征的影响;建立了燃烧数值计算模型,采用实验验证其有效性,并利用数值模拟研究了管式加热炉的燃烧与排放特性。
  为研究不同当量比对丙烷气体燃烧特性的影响,设计并搭建了封闭空间丙烷气体燃烧实验平台;采用无量纲量火焰高度与无量纲火源热释放速率之间的关系、Delichatsios关联式两种方案对燃烧实验平台的燃料供应系统的可靠性进行了验证;采用实验对比分析,确定了封闭空间壁面仅影响当量比,确保了搭建的实验装置的有效性。
  分析不同当量比丙烷气体燃烧的实验数据,得到了喷嘴直径、燃气流速和当量比共同影响下的无量纲火焰长度和火焰推举高度的表达式,当喷嘴直径和燃料流速都增大时,随着当量比的增加,无量纲火焰长度增加的越来越慢,逐渐趋于平缓,但是火焰推举高度的倒数则增加的越来越快。
  对不同丙烷气体燃烧实验工况进行了数值模拟研究,对比分析了模拟和实验的烟气温度和NO浓度,烟气温度平均偏差约±6.3%,最大偏差小于±9.4%;NO浓度最大偏差小于±6%,验证了所建立的湍流模型、燃烧模型、辐射模型以及NO模型有效。
  采用数值模拟对管式加热炉在过量空气系数λ分别为1.05、1.10、1.15、1.20、1.25和1.30等六种工况下炉膛内的温度分布、燃烧器轴向速度分布及NO的分布与排放情况进行了研究,结果表明,在λ=1.10时,炉膛内部温度分布均匀,避免了炉膛内部NO密度局部过高,能够保证管壁均匀受热,且较高的燃烧器轴向速度引起的卷吸效果明显,有利于燃料的充分燃烧以及火焰向周围管壁的热辐射的增强,有效地减少了NO排放量;对管式加热炉在氧化剂中添加水蒸气的体积分数Fwv为0、0.03、0.05、0.08、0.10和0.15等六种工况下炉膛的温度分布、水蒸气的排放量以及NO的分布与排放情况进行了研究,结果表明,当氧化剂中添加的水蒸气的体积分数为0.10时,炉膛内部温度分布均匀,炉膛区域内NO生成量也较低,有效避免了炉膛内部NO密度过高,降低了NO排放量,对应的水蒸气排放量也较少,减少了因水蒸气的排放引起的热损失。
[硕士论文] 糜梦星
动力机械及工程 合肥工业大学 2018(学位年度)
摘要:通过不同升温速率下的热重试验,分别研究了梧桐叶及其热解炭、水热炭的燃烧特性。结果表明:梧桐叶和水热炭燃烧DTG曲线呈4个质量损失峰,热解炭呈3个峰。升温速率对样品燃尽度影响较小,对燃烧速率影响较大。梧桐叶和水热炭的综合燃烧特性指数SN较高,且着火点及燃尽温度较低。由于水热炭更易于保存和运输,因此更适合用作生物质燃料。基于分布式改良Coats-Redfern积分法分析样品燃烧动力学,结果表明:燃烧过程中活化能分布呈‘N’型。低温燃烧区活化能较高,高温燃烧区活化能较低。随升温速率提高,样品活化能均发生小幅降低,但整体趋势保持不变。
  基于随机森林回归模型,分别构建梧桐叶混煤、热解炭混煤以及水热炭混煤活化能预测模型。结果表明:3种活化能预测模型的R2均在0.9716~0.9847,说明预测值与试验值正相关性较强。MSE在2.0956~5.9433,MAE在1.1763~2.3000,说明模型预测误差较小。EVC在0.9743~0.9858,说明模型可解释性较强。
  利用管式炉试验系统在不同的升温速率下进行CO和NO排放试验,分别研究样品种类、掺混比例以及反应温度对CO和NO排放的影响。700℃时,梧桐叶和水热炭的CO排放明显小于热解炭和煤,900℃时,CO排放则明显更高。当燃烧温度为700℃/800℃/900℃时,煤的NO释放始终最高,梧桐叶、热解炭和水热炭的NO释放总量相差不大,约比煤少40%。梧桐叶及其生物炭与煤按照50:50混合时,温度为700℃/800℃/900℃时,随着温度上升,混合样品CO释放无论从强度还是持续时长上都大大降低。而NO释放随着温度升高先增大再减小,但变化幅度都较小。
[硕士论文] 郑振
制冷及低温工程 合肥工业大学 2018(学位年度)
摘要:近期我国新能源产业与信息产业得到了高度发展,随着信息技术和新能源技术的逐步提升,用于基站与变电机柜中的电子元件呈现集中化与高功率化的发展趋势,机柜中的散热设备不仅面临这些发展趋势所带来的技术性问题,同时还要兼顾能源利用率和环保的要求。为满足机柜散热需求,本文选择换热效率高、能效比大、结构紧凑的微通道型分离式热管作为研究对象。
  本文选择散热功率在0~2kW、传热温差在5~20K的微通道型分离式热管散热系统,研究了其在不同的换热器高度差、充液率、室内外温差和风量下换热性能的变化规律。主要工作为:设计实验方案,对微通道型换热器进行匹配计算,搭建实验台架并进行实验。分析实验结果表明:(1)本实验微通道型分离式热管的最佳充液率在100%左右,最佳充液率不随高度差的变化而改变。(2)系统换热性能随换热器高度差的增加而增加,但随高度差的增加其对系统换热性能的提升作用会减小,在小温差下高度差对换热性能的影响更为显著。(3)随着室内外温差的增加,系统换热性能也会得到提升,但当温差达到相当值时,其对系统换热性能的影响也会减小。(4)随着风速的提升,换热器的换热性能增加明显。(5)高度差对缩短系统的启动时间有积极影响。
[博士论文] 屈晓航
动力工程及工程热物理 山东大学 2017(学位年度)
摘要:蒸汽和水直接接触冷凝时冷热两种流体直接混合换热,因而在小温差下即有较高传热速率,目前在电厂混合式加热器、除氧器、蒸汽引射器以及核电厂非能动安全系统中都有应用。近年随着进一步提高能源利用效率的需求,工业界和学术界逐渐开始研究使用蒸汽引射器来回收低参数余热蒸汽。本文采用理论分析、数值模拟和模型试验相结合的研究方法,对含不凝气体蒸汽射流与水直接接触冷凝的流动和传热特性进行了系统研究,并分析了蒸汽中含不凝结气体对汽水引射器性能的影响。
  搭建了蒸汽喷射实验台,不凝气体为空气,含量在10%以内。研究了气羽含气率的分布受其中空气含量的影响。使用高速摄像机连续拍摄冷凝气羽,并提出了使用MATLAB处理图像获得含气率分布状况的方法,同时指出这种方法得到的含气率与传统含气率的区别,为下文与使用数值计算获得的含气率作对比提供修正方法。研究发现气羽可分为射流区和羽翼区,两个区域实际都由若干小气泡组成;当水箱中水温升高或者入射气体中空气含量升高时,含气率在轴向和径向的下降趋势都变得平缓,这是因为不凝气体会恶化冷凝传热从而使气羽变大变长;流场中的含气率分布具有自相似特性,本文给出了实验范围内的自相似形状因子和发散率。
  基于纯蒸汽直接接触冷凝的一维模型,结合几种合理假设提出了含不凝气体蒸汽直接接触冷凝的一维模型,进而得出了气羽长度和平均冷凝传热系数的关联式,关联式中含有需由实验确定的未知常数。在100-330kg/m2/s的出口质流密度范围内和15%的空气含量范围以内,测量了流场中的温度分布。发现空气的加入导致流场中轴向和径向的温度升高,这是由于蒸汽含空气时冷凝速率下降,气羽变大变长所致。冷凝气羽不存在明显的冷凝结束边界,不能以此确定气羽长度,因此提出使用轴向温度下降90%处作为冷凝结束的标志进而确定气羽长度,并与文献中纯蒸汽气羽长度的实验关联式做对比,验证了该种方法的合理性。根据实验数据确定了关联式中的未知常数,得出的关联式可以在本实验范围内预测气羽长度和平均冷凝传热系数,本实验测得的无量纲气羽长度l/d处于3-17之间,冷凝传热系数在0.7-2MW/m2/K之间。
  对含不凝气体蒸汽直接接触冷凝过程中的潜热和显热传递进行了数量级分析,发现当蒸汽中空气含量不高时,即使混合气体过热,相比潜热传递,显热传递很小,为方便建立模型,气侧的显热传递可忽略不计。使用商业软件ANSYS CFX,基于其中的欧拉-欧拉两流体模型,建立了含不凝气体蒸汽直接接触冷凝的数值模型,将水和混合气体分别视为连续相和离散相,并使用颗粒模型计算两者之间的质量、动量和能量传递,使用组分传递方程计算气相成分变化,同时分析了使用热相变模型计算冷凝速率的合理性,与纯蒸汽的热相变模型不同,本文提出使用气相中蒸汽分压对应的饱和温度作为气液界面温度,用以计算冷凝速率。对于气液两相,数值计算结果分别给出一组温度分布,与实验结果对比发现数值模型可以合理地预测温度分布。为了将实验含气率和数值计算得到的含气率进行对比,提出了修正数值计算含气率的方法,发现修正的含气率结果与实验结果符合良好,表明了数值模型可以用于预测含气率分布。通过数值计算获得了不同不凝气体含量下的压力分布,发现由于喷嘴出口存在压缩波和膨胀波,压力出现两次波动,射流含不凝气体时,轴线上的压力波动会明显减小,且随不凝气体含量的升高冷凝压缩波变弱。计算获得的轴向速度先增大后减小,而径向速度一直减小,不凝气体的加入使距离喷嘴较近处速度变小而距喷嘴较远处速度变大,表明不凝气体使流场速度分布变得均匀。
  制作了小型引射器,搭建了蒸汽引射水实验平台,在实验的工作参数下研究了蒸汽中含不凝性气体(空气)对引射器性能的影响。实验发现随着蒸汽中空气含量从零开始增加,被引射水流量先增加后减小,主要原因是空气加入后使混合室内气羽增大,导致了二次流的剪切作用增强,但同时也使二次流流通面积减小,当空气含量较小时前者作用较强,二次水流量增大,当空气含量较大时,后者作用较强,二次水流量减小。不同一次流空气含量下,蒸汽流量增大、喷嘴直径减小和二次流水温升高均起到增大二次流流量的作用;空气含量较低时,小喉嘴距引射器产生较大引射流量,空气含量较高时,大喉嘴距引射器产生较大引射流量。由于二次水侧使用固定高度和总阻力系数的方式,所以二次流入口压力的变化趋势与二次水流量的变化趋势相反;由于二次流流速较小,理想吸入高度在不同条件下的变化趋势与二次水流量相同。引射系数随蒸汽流量的增大而减小,但受其他条件影响的规律还需要进一步研究。
  使用前述含不凝气体蒸汽与水直接接触冷凝的模型,首先建立了与实验相同的引射器三维数值模型,在一二次流入口和引射器出口都使用与实验相同的流量条件,计算所得的二次流入口压力随空气含量变化规律与实验一致,表明数值模型可以预测引射器性能。然后通过数值模拟发现不同空气含量下二次流进口水温的升高会使进口压力变小,与实验规律一致;空气含量的增加一方面使气液剪切面积增大,另一方面使液相通流面积减小,因而存在最佳空气含量;进口水流量的升高导致进口水压力升高的同时也使最佳空气含量降低;引射器喉部直径增大使进口水压力升高,同时,最佳空气含量升高;空气含量增加,二次流进口水温升高或流量增加,引射器喉部直径增大都使引射器内压力波动减小;空气含量增加降低冷凝速率,从而使引射器中气羽变大变长。为进一步简化计算模型,建立了与实验一致的引射器二维数值模型,将引射器两个进口改为压力边界条件,发现在一定的二次流进口压力范围内,引射系数随空气含量增加先增大后减小,若进口压力过高,则引射系数随空气含量增加一直减小,若进口压力过低,则进口出现回流。最后进行了大尺寸引射器在较大工作参数下的数值计算,使用压力进出口边界条件,也发现了与小尺寸引射器相同的性能变化规律。
[硕士论文] 徐荣
动力工程 东南大学 2017(学位年度)
摘要:本文介绍了螺旋折流板换热器的结构优化方式,三分或六分周向重叠螺旋折流板的特点。提出了用于螺旋折流板换热器壳侧阻力及换热性能预测的关联式,将螺旋通道作为螺旋管处理,再根据螺旋管中的强迫对流换热公式计算性能数据。螺旋折流板通道的水力直径Dh的计算公式由四倍截面积比湿周长度演变为壳侧体内工质的净体积Vnet,壳体侧的表面积As(不计端面)。变形后的分子和分母项都容易计算得出。螺旋折流板通道的截面积则可以通过对壳侧体内工质的净体积Vnet除以螺旋通道平均流动长度Lh得到。由此总结了用于螺旋折流板换热器的热力设计方法,该方法可用于螺旋折流板换热器的设计和校核。同时,以一台已完成实验测试的周向重叠三分螺旋折流板换热器为模型,获得了传热量Q、总体传热系数K、壳侧换热系数ho、壳侧压降△po、综合指标ho△po-1/3和ho△po-1随流量变化的数据,并与测试结果进行了比较,通过对比发现,两者的变化趋势一致。所提出的热力设计方法开拓了一种新的设计方法,但针对不同结构螺旋折流板的修正系数还有待进一步完善。
  在工业应用中,螺旋折流板换热器与弓形折流板换热器相比,在相同的换热面积下能否获得更多的换热量或者在相同的热负荷下换热面积能否减小是螺旋折流板换热器能否被用户接受的首要标准。本课题以炼油厂龙头装置常减压蒸馏装置换热流程优化项目为契机,通过对比项目实施前后装置原油及中间产品换热温度变化,燃烧炉燃料消耗变化,分析螺旋折流板换热器在工业应用中的实施效果。在换热网络优化改造实施后,原油进脱盐罐温度提高了30℃;脱后原油进闪蒸塔温度提高15℃;原油换热终温提高22℃;优化后的换热网络取得了较好的换热效果。由于原油进闪蒸塔温度提高了15℃,减少了闪蒸塔底油的出量,使得原油中的轻组分尽可能在闪蒸塔汽化,同时提高闪蒸塔底油换热终温,减少常压炉加热负荷。
[硕士论文] 孙煜
动力工程 山东大学 2017(学位年度)
摘要:锅炉是应用最广泛的能量转换设备,全国有近50多万台。锅炉排烟损失是锅炉各项热损失最大的一项,因此采取有力的技术措施降低排烟热损失是提高锅炉热效率,实现节能增效的重要保障。在长期的实践过程中发现,将排烟温度每降低15℃,锅炉热效率可以提升约1%。所以,加强对烟气余热的有效利用,对有效提升能源的利用率、提升发电量具有不可忽视的重要意义。莱钢集团现有不同类型大小的锅炉16台,总吨位有1720吨/小时,排烟温度在140-150℃之间。从技术、效益、安全等方面进行综合考虑后,决定采用鳍片管管式换热器对锅炉排烟进行余热回收。
  论文对国内锅炉低温烟气余热回收的现状进行分析,对主流冷凝锅炉、热管换热技术、热泵换热技术的优缺点进行评价。对纯燃高炉煤气锅炉余热回收的技术难点进行了分析,对低温酸性腐蚀的危害进行研究,并对余热回收的经济性风险进行评价,论文也对在莱钢煤气锅炉运维过程中防腐、防结焦、防震动等关键技术储备进行了介绍和分析。
  论文提出的增加低温烟气换热器,将回收后的热量用于加热锅炉补给水的技术方案经济合理、投资省、运行可靠。通过本文的论述,对烟气余热回收项目的关键设备的结构形式的探索做了一个较为系统的分析、研究,并通过实际工程项目的做了对比分析,对低温腐蚀控制、结焦控制、分组结构等技术进行应用,设计方案有结构简单、功能齐全、控制系统实现自动化难度低等优点,能实现预期的经济性及节能效果,可作为未来莱钢内部乃至全行业推广的一项有效技术装备。
[博士论文] 曾美容
核科学与技术 中国科学技术大学 2017(学位年度)
摘要:化石燃料的燃烧是当今社会的主要能源供给形式,但其在燃烧的过程中会产生一系列大气污染物。如何有效地提高化石燃料的燃烧效率,并最大限度地减少其带来的环境问题,是人们一直追求的目标。提高燃烧效率和减小燃烧污染物排放的关键在于对燃烧中的反应过程进行深入的了解。运输燃料是典型的化石燃料,如汽油、煤油和柴油等。这些运输燃料的组分十分复杂,通常是由正构烷烃、支链烷烃、环烷烃、芳烃在内的上百种烃类混合而成。直接研究它们的燃烧反应过程难度极大,一种有效的解决方案为选取一些具有代表性的组分组成这些真实运输燃料的替代燃料,如选择正构烷烃、环烷烃、支链烷烃和芳烃这几类燃料中的一种或几种燃料共同组成替代燃料。
  正构烷烃是真实运输燃料中一种重要组成燃料,且汽油、煤油和柴油燃料中正构烷烃的碳链长度也相差较大,如柴油中正构烷烃的平均碳链长度远大于其在汽油燃料中的平均碳链长度。本文选择正癸烷、正十二烷和正十四烷这三种不同碳链长度的正构烷烃进行了研究。其一,本文分别对这三种正构烷烃燃料的燃烧过程进行了实验和模型研究,用以对正构烷烃燃烧中燃料的分解、燃烧中间产物和产物的生成和消耗路径进行深入的了解。其二,对不同碳链长度的正构烷烃进行研究,从而探索正构烷烃的碳链长度对其燃烧反应过程的影响。环烷烃具有与正构烷烃完全不同的燃料结构,本文对典型的双环烷烃燃料十氢萘进行了燃烧反应动力学实验和动力学模型研究。十氢萘与正癸烷具有相同的碳原子数,但由于两个六元并环的存在,使得十氢萘具有两个不饱和度,导致其氢原子数比正癸烷要少四个,因此其燃烧的热力学过程和动力学过程与正癸烷均有很大的差异。支链烷烃是另一类真实运输燃料中的主要组成燃料,与正构烷烃相比,支链烷烃含有更多类型的碳原子,即正构烷烃仅有伯碳和仲碳两种类型碳原子,而支链烷烃可能包含伯、仲、叔和季碳这四种类型碳原子。本文选择异辛烷作为研究目标,异辛烷具有四种类型的碳原子,常被用做汽油和煤油替代燃料中支链烷烃的代表。此外,目前对混合燃料的燃烧反应动力学研究越来越多,研究者认为将两种或者多种性能不同的燃料掺混到一起能够对燃烧中的化学过程进行调控,如提高燃烧效率和降低污染物。因此,本文对异辛烷/二甲醚和异辛烷/乙醚混合燃料开展了燃烧反应动力学实验和模型研究。
  在实验研究中,本文利用同步辐射真空紫外光电离质谱方法研究了正癸烷、正十二烷、正十四烷和十氢萘在流动反应器中的变压力热解,以及正癸烷和十氢萘的低压层流预混火焰。在流动反应器热解实验中,通过扫描光电离效率谱对热解物种进行了鉴别,包括活泼的自由基和同分异构体等;通过改变热解温度,得到了热解物种随温度变化的摩尔分数曲线。在层流预混火焰实验中,除了利用光电离效率谱对物种进行鉴别之外,还通过扫描燃烧炉轴向位置,得到了火焰物种随着燃烧炉轴向分布的摩尔分数曲线。除此之外,本文还利用电子轰击电离质谱方法对异辛烷/醚类掺混燃料的层流预混火焰进行了实验研究,获得了火焰物种随燃烧炉位置变化的摩尔分数曲线。对燃烧物种,尤其是活泼自由基的定性鉴别和定量测量,为本文燃烧反应动力学模型的构建和验证提供了实验依据。
  在实验研究的基础之上,本文发展了正癸烷、正十二烷和正十四烷这三种烷烃燃料的燃烧反应动力学模型。借助于燃烧反应动力学模拟软件Chemkin-Pro对实验结果进行了模拟预测,并利用生成速率分析和敏感度分析这两种模型分析工具对燃烧反应过程进行了全面的探索。与前人的模型相比,本文发展的正构烷烃模型的主要创新之处在于对正构烷烃燃烧中的关键反应引入了含有压力依赖效应的速率常数,如燃料的单分子解离反应、烯烃的单分子解离反应、烷基自由基的异构化和碳碳断键反应等。因此,本文所发展的正构烷烃模型能更好地预测变压力流动反应器热解实验中燃料的分解和产物的生成。另一方面,本文所发展的正构烷烃模型也包含了低温氧化机理,因此也可以预测正构烷烃的低温氧化特性。为确保本文正构烷烃模型在宽广温度、压力和当量比条件下的预测性,本文利用文献中的正构烷烃实验数据对模型进行了全面验证,包括高压激波管氧化、射流搅拌反应器氧化和对冲扩散火焰物种浓度,以及着火延迟时间和火焰传播速度等。生成速率分析结果显示在流动反应器热解实验中,正癸烷、正十二烷和正十四烷均主要通过燃料的单分子碳碳断键反应和氢提取反应而消耗。敏感度分析结果显示在流动反应器热解实验中,燃料单分子碳碳断键反应具有极高的敏感度。在层流预混火焰中,燃料单分子碳碳断键的贡献很小,燃料主要通过氢提取反应而消耗。
  本文发展了详细的十氢萘燃烧反应动力学模型,解决了国际上缺乏详细双环烷烃模型的问题,该模型能够合理预测变压力流动反应器热解和低压层流预混火焰中十氢萘的分解和产物的生成。利用生成速率分析和敏感度分析对十氢萘热解和火焰中燃料的消耗路径和产物的生成及消耗路径进行了详细的分析。在热解条件下,十氢萘主要经过单分子碳碳断键反应生成双自由基中间产物,后者经过氢转移反应生成单环烯烃异构体C10H18。十氢萘也可以经过自由基进攻燃料的氢提取反应生成三种十氢萘自由基和小分子中间产物,这三种十氢萘自由基的后续消耗路径将生成一系列的单环芳烃,例如苯、甲苯和苯乙烯等,表明在十氢萘燃烧体系中存在着由燃料直接分解生成芳烃的反应机理。在十氢萘火焰中,十氢萘主要是经由自由基进攻燃料的氢提取反应而消耗,且除了碳氢芳烃外,在十氢萘火焰中也探测到了一些含氧的芳烃。本文还利用文献中十氢萘的相关实验数据对所发展的十氢萘模型进行了验证,如激波管热解、射流搅拌反应器氧化和着火延迟时间等。
  本文利用所开展的异辛烷层流预混火焰实验数据对文献所报道的异辛烷燃烧反应动力学模型进行了验证,其中Pitsch等人的异辛烷模型能较好地预测本文的异辛烷实验结果。其次,本文也利用文献所报道的异辛烷燃烧实验数据对此模型进行了验证。在此基础上,本文将二甲醚和乙醚的燃料子机理加入到该异辛烷模型,发展了一个包含异辛烷、二甲醚和乙醚的混合燃料模型。本文的混合燃料模型能较好地预测所开展的七组层流预混火焰实验数据,即异辛烷火焰、两组异辛烷和二甲醚掺混燃料火焰、两组异辛烷和乙醚掺混燃料火焰、二甲醚火焰和乙醚火焰。本文还利用文献所报道的异辛烷、二甲醚和乙醚实验数据对混合燃料模型进行了验证。结合本文的火焰实验和混合燃料模型的预测对二甲醚和乙醚掺混到异辛烷火焰中的掺混效应进行了研究,分析结果显示醚类掺混对异辛烷掺混火焰中异辛烷分解路径的影响较小,对醛类、烯烃和芳烃生成的影响较大。
[硕士论文] 黄丹
动力工程 郑州大学 2017(学位年度)
摘要:板片是板式换热器交换热量和转换动量的载体,其表面形状决定了其传热性能和阻力性能的优良,从而直接决定了板式换热器效率的高低。本文以板式换热器在锅炉烟气余热回收中的应用为背景,以空气为介质,通过数值手段,研究了板片上一种雨滴型凹凸表面的换热器的流动换热性能,并对其进行多目标优化。分析结构参数对其换热性能的影响,以期获得较优的结构外形,为此新型板式换热器的开发与应用提供依据。
  首先,根据本论文雨滴型凹坑凸胞板式换热器的结构特点,参考文献中的实验数据,确定采用RNG k-ε湍流模型及增强壁面函数进行数值模拟。选择pec=(Nu/Nu0)/(f/f0)1/3作为主要评价指标,以雨滴型凹坑凸胞板式换热器传热单元为研究对象,采用周期性边界对其设计参数R1、R2对换热的影响进行了研究。结果发现:流道内强烈的涡流碰撞,流动分离对强化传热起了重要作用。凹坑的高传热区出现在凹坑结构的后缘,而凸胞传热单元的高传热区则集中在前缘并呈“蝴蝶”状分布。
  凹坑结构和凸胞结构均实现了强化换热,在Re=1500~4000,其综合换热性能pec值在1.42~3.0之间。随着Re数的增大,换热性能增大而阻力性能和综合换热性能则呈下降趋势;前缘半径R1的改变对凹坑的综合换热性能影响比较明显,而R2则对凸胞的综合换热性能影响较大。较大R1值的凹坑传热单元和较大R2值的凸胞传热单元具有更好的综合换热性能。但是随着R1,R2值的增大,其增幅逐渐减小。在本文的研究范围内,凹坑传热单元的综合换热性能要高于凸胞传热单元。
  最后以ANSYS workbench为平台,完成了雨滴型凹坑凸胞板式换热器三种流道的参数化建模,网格划分,计算和结果分析。并以Nu数最大,阻力系数f值最小,综合换热性能pec值最大为目标函数对换热器进行多目标优化。研究表明:凹凸深度(高度)Hd对三种流道输出参数(Nu、f、pec)的影响都比较显著,而凹凸间距P对其的影响最弱;对雨滴型凹坑凸胞板片,前缘半径R1和后缘半径R2存在相关性,使得单一因素对传热性能的作用不一致。较深的凹凸深度(高度)表现出更好的传热性能;总体而言,具有较大R1、R2值,较小凹凸深度(高度)的板片拥有更好的综合换热性能,而分布间距对其的影响比较小。根据优化结果,较优的雨滴型凹坑凸胞结构为R1=25mm,R2=12.5mm,Hd=3mm,P=30mm。最后对雨滴型凹坑凸胞换热板125组设计点数据进行处理,拟合出描述其流动与传热的关联式。
[博士论文] 邢利利
核科学与技术 中国科学技术大学 2017(学位年度)
摘要:面对当前的环境与能源问题,替代燃料策略具有十分重大的意义,备受关注。燃烧是目前乃至今后若干年内主要的能源供给方式之一,燃烧反应动力学是实现高效清洁燃烧的理论基础。为了发展中低温燃烧技术,譬如均质充量压缩燃烧(Homogeneous Charge Compression Ignition-HCCI)等,典型替代燃料的中低温氧化反应动力学特性是被迫切需要的。HCCI发动机不仅保证较高的热效率,还可以大量减少碳烟及氮氧化物等的排放,故中低温燃烧技术成为一项充满前景的内燃机燃烧技术发展方向。因此,探索替代燃料的低温燃烧反应动力学机理,是高效清洁发动机设计过程中最重要的环节之一。本论文的首要研究目标是从理论的视角选取系列典型的替代燃料开展其低温氧化反应动力学研究。
  对于链式烷烃的低温氧化反应机理及速率规则,已经得到了广泛的研究,然而作为石油燃料的重要组成部分之一的环烷烃,也是替代燃料的必要组成部分,其低温氧化动力学研究却是很有限的。前人关于环烷烃反应动力学模型的研究中,其中的动力学数据大多数都是类比链式烷烃得到的。尽管链式烷烃的低温氧化动力学研究已经得到了很好的验证,但是关于环状烷烃的低温氧化反应动力学的研究尚且存在争议的。理论计算可以为探究环烷烃结构与低温氧化反应活性之间的关系提供强大的工具。本论文中,我们首先选取甲基环己烷为代表(即氧气进攻不同的甲基环己烷自由基位点),进而对其开展一系列关于中低温氧化反应动力学特性的探究。这些不同的结构包括:甲基环己烷侧链自由基位点cy-C6H11CH2*、甲基环己烷环上的三级碳自由基位点tcy-C6H10(*)CH3和甲基环己烷环上的二级碳自由基位点ortho-cy-C6H10(*)C H3。通过高精度的量子化学手段计算了不同结构的反应路径,结合RKM/主方程的求解,我们得到了温度和压力依赖的速率常数。根据这些动力学数据,我们详细讨论了链分支、链增值、链终止等不同通道之间的竞争关系,剖析了反应结构与反应活性之间的关系。
  在低温氧化反应机理发展和改善的过程中,关键中间体的动力学数据是至关重要的,如羰基类氢过氧化物(carbonyl hydroperoxides),越来越多的实验已经校测到该物质的存在。羰基类氢过氧化物是一类典型的中间体,由于分子中存在较弱的O-OH键,易发生解离反应,这是链分支反应中有决定性作用的一步。由于它的命运影响着链分支的大小,故这一中间体的动力学和热力学数据决定着整个体系的反应活性、产物分布等。如二甲醚(简写DME)的现有研究中对中间体羰基类氢过氧化物的反应机理缺乏理论研究,大多数仅用估测的数据,这将会导致模型误差的大大加剧。于是在本论文中我们选取DME的低温氧化机理中的关键性中间体羰基类氢过氧化物(分子式为HOOCH2OCHO)开展一系列的高精度理论计算工作,目的是为了对DME的低温氧化反应机理和反应活性有更全面的了解。首先我们对HOOCH2OCHO的单分子解离路径进行了高精度的量子化学计算,其次通过微正则变分过渡态理论结合RRKM/主方程的计算,我们求解了温度和压力依赖的速率常数,给出了它的单分子解离路径的新竞争关系。新的竞争关系将会对未来DME低温氧化反应模型中反应活性的预测带来影响,将在一定程度上改变DME低温氧化反应活性。
  如上所述,具有羰基和氢过氧官能团的氧化物(carbonyl hydroperoxides)是燃料氧化过程中产生的重要中间体,羰基氢过氧化物的反应机理对于先进的内燃机的性能是重要的,特别是对于自燃过程而言。同时在大气环境下,它也是有机化合物的自氧化过程中产生的重要中间体。那么这类物质除了上面提到的自身解离反应之外,是否还存在其它消耗路径呢?鉴于这些环境下OH自由基的大量存在,于是我们开展了羰基氢过氧化物与OH自由基反应动力学研究。它的动力学数据在实验上是不可测量的,这更凸显出了理论计算工作的重要性和必要性。在这项工作中,我们选取戊烷低温氧化过程中羰基氢过氧化物(4-氢过氧基-2-戊酮,分子式是CH3 C(=O)CH2CH(OOH)CH3)为模型化合物,以阐明OH与羰基氢过氧化物的反应动力学,包括H原子提取反应和OH加成反应。通过高精度电子结构计算,我们得到了以前缺少的热化学数据,并且利用多路径变分过渡状态理论、多维隧穿近似、多结构非谐性和扭转势非谐性等,我们获得更准确的速率常数。更为重要的是,我们深入探究和阐明了各种因素在确定动力学计算过程中的作用。在这项工作中确定的准确的热力学和动力学数据在中低温氧化机理的全局建模以及对碳氢化合物和替代燃料的点火特性的详细了解和预测是不可或缺的。
  前人包括本课题组的研究实践已经证实理论计算手段对化学反应动力学的贡献越来越大,特别是对于实验难以测量的和反应和条件。故精确的理论计算就显得尤为重要,深入理解理论计算过程中的误差大小以及误差传递过程对未来精确的理论计算来说是必不可少的。然而理论计算(温度和压力依赖)的速率常数的误差大小却很少被严格评估。最后,在本论文中,我们通过全局不确定性和灵敏度分析,剖析了输入参数(例如能垒高度、频率和碰撞能量传递参数等)的不确定性传递与由RRKM/主方程方法计算的速率常数的不确定性传递过程。我们选取了乙醇的单分子解离体系,原因是由于这一单分子解离体系具有单势阱多通道反应的代表性,且由于无明显势垒路径的存在便于我们探索RRKM/主方程计算中竞争关系变化的影响。根据灵敏性分析,我们对灵敏性系数较高的参数进行了分析,对这些灵敏性系数随着温度和压力的变化进行了讨论。通过不确定性分析,对两条反应通道的速率常数的不确定性因子进行了定量化评估,并给出了高压极限和压力依赖下不确定因子随着温度的变化情况。尽管我们这项研究中选择乙醇作为一个例子来研究的,但是我们得到的结论并不仅仅局限于这一例子中。我们的工作为更普遍的反应体系在RRKM/主方程的计算中不确定性的参数化指明了方向。在这项工作中通过对RRKM/主方程计算过程中参数化不确定性分析的研究,为未来精确的动力学计算提供了很有价值的信息。
[博士论文] 曹侃
化工过程机械 郑州大学 2017(学位年度)
摘要:初级能源消费中80%要经历传热和换热设备,传热过程效率的高低将直接影响各个行业中的能源使用效率。近年来的研究表明,混沌对流能够显著地强化混合与传热,这为设计高效紧凑的混合与换热设备提供了一种新思路和新方法。本文通过理论分析、数值模拟与试验手段,研究了混沌对流的强化传热及混合特性,提出了一种方便制造和工程应用的正交凹槽混沌对流结构,分析了其流体流动与传热、混合特性,讨论了其在静态混合器以及板翅式换热器中的应用状况。本论文的主要工作为:
  1、对L型混沌流道与普通平直流道内流体的流动与传热特性进行了三维数值模拟与比较分析,结果表明,L型混沌流道可以使流体在较小的流速条件下产生混沌对流,这种流动形态可以促进流道内主流区流体与近壁面附近流体间的相互混合,增加了流体间的相互扰动,使得流道内各个截面的温度分布更为均匀,从而强化了传热。
  2、基于混沌对流形成的特点,提出了一种在流动方向上具有正交凹槽结构的新型混沌流道,并采用正交实验设计方法,分析了流道宽度、流道高度、凹槽深度、凹槽直径、平直段长度等结构参数对流体流动和传热性能的影响,同时还采用田口方法对其综合性能进行了评价分析。
  3、综合研究了正交凹槽流道内的流体流动与传热特性。结果表明,在层流流动时,流道的进口影响长度远小于普通平直流道进口影响长度,且在充分发展段流体流动与传热具有周期性特性;Re数和Pr数对传热与流动的影响与普通层流相差甚远。得到了正交凹槽混沌对流结构的传热Nu数与摩擦阻力系数f的计算表达式。简单介绍了描述流道内流体混沌性能的几种常见方法,并提出了一种修正的李雅普诺夫指数的计算方法,该方法可以定量计算混沌对流中流线被折叠和拉伸的程度。
  4、阐述了混沌对流与混合之间的关系,对正交凹槽流道内的混合特性进行了数值分析,定性、定量得分析了结构参数、雷诺数对混合效果的影响。分析得出,流道内物质面和物质线被拉伸与折叠的程度较大,混合效果就较好。流道中因参数变化得到的混合效果优劣,与得到的传热效果强弱关系完全一致。
  5、根据板翅式换热器的制造特点,对板翅式换热器流道结构进行了研究,提出了一种正交凹槽混沌板翅式换热器。在分析该板翅式换热流道内的流体流动和传热性能时本文采用了单排的简化计算模型,并将其和单个混沌流道内流体的流动与传热性能进行了比较,结果表明其流动与传热特性可以用单个混沌流道内的特性来表征。拟合出了新型板翅式换热器的传热因子j和摩擦因子f'的计算表达式。
  6、根据试验原理与实际的测量要求,制定了流体流动与传热的的试验方案,设计、制作了两套可分别用于流体流动与传热测量的冷模与热模试验装置,对试验结果与数值模拟结果进行了比较,结果发现,二者吻合较好。
[硕士论文] 汤红铃
供热、供燃气、通风及空调工程;制冷与低温工程 东南大学 2017(学位年度)
摘要:螺旋折流板换热器由于具有传热效率高、流动阻力低、抗振效果好、不易结垢和无流动死区等优点,被认为是最有潜力替代弓形折流板换热器的结构。但实际生产中螺旋折流板的加工需要使用模具。根据不同用户要求设计螺旋折流板换热器时,每设计一个规格的螺旋折流板换热器就需要生产一套模具,导致其生产成本增大,准备时间延长。为解决这个问题,本文提出并研究了一种名为轴向分隔的折流板连接方式用于倾斜角系列化方案。轴向分隔是一种全新的折流板连接方式,用小倾斜角的折流板配合倾斜垫圈(或折耳)及定距套管来固定折流板并形成较大的螺旋导程。一方面,该结构可在充分利用允许压降的基础上形成合适的流通截面,实现折流板倾斜角的系列化,以减少折流板的加工模具和倾斜垫圈的种类,降低生产成本;另一方面,倾斜垫圈可将折流板拉杆孔两侧表面补正为垂直于管束的平面,使螺旋折流板换热器的加工、装配更紧凑更简单。此外,轴向分隔仍保留周向重叠结构,在抑制漏流的同时,还能用一根拉杆同时紧固相邻两组折流板,使拉杆数目减小。有利于促进螺旋折流板热器的结构优化和应用推广。
  对于大中型螺旋折流板换热器,本文在三分周向重叠螺旋折流板换热器的基础上新提出六分周向重叠螺旋折流板换热器结构。将壳体包含的圆柱体分成六等分,每个螺旋周期由六块扇形折流板组成,同时每块折流板也各向两侧拓宽到管排间隙中,以使相邻螺旋折流板的周向重叠部分包含一排管子。与三分螺旋折流板相比,六分螺旋折流板也适用于更为紧凑的正三角形排列布管方式。由于其半径与弦长相当,最高和最低管排的差值更小,制造难度更低。此外,每个螺旋周期内折流板数目的增多,使得相邻折流板间的三角漏流区显著减小,再配合周向重叠的搭接方式,可有效缓解大中型换热器中漏流严重的问题。
  首先,本文以壳体内径为125mm、折流板倾斜角为15°~22°的三分周向重叠螺旋折流板换热器为研究对象,建立了普通搭接方式与轴向分隔搭接方式下的物理与数学模型,并借助数值模拟分析及切片可视化处理等手段,重点分析了壳侧换热系数、壳侧压降、壳侧综合指标及壳侧压力场与速度场分布等主要性能特征,揭示了轴向分隔搭接方式对三分周向重叠螺旋折流板换热器壳侧性能的影响。给出了壳侧子午切片、横切片、螺旋切片与同心正六边形切片上的压力或速度云图叠加速度矢量图。发现轴向分隔搭接方式下,相邻折流板间三角漏流区略有增加,削弱了二次流的形成,导致壳侧换热系数降低、壳侧压降升高和壳侧综合指标下降;折流板等效倾斜角与实际倾斜角的差值越大,性能偏差越明显。数值模拟结果表明,若分别取壳侧换热系数和壳侧压降的工程允许误差范围为-3%和+5%,则配合使用轴向分隔搭接方式可使三分螺旋折流板倾斜角系列化的步长由普通搭接方式下的2°拓展为8°,范围明显拓宽,说明轴向分隔搭接方式是实现折流板倾斜角系列化的有效手段。
  其次,为揭示六分周向重叠螺旋折流板结构强化传热的机理,本文还以壳体内径为150mm、折流板倾斜角为15°~30°的六分周向重叠螺旋折流板换热器为研究对象进行了数值模拟。对比分析了六分螺旋折流板方案、三分螺旋折流板方案与传统弓形折流板方案下换热器的壳侧流动与传热性能,进行了大倾斜角双头螺旋与单头螺旋结构下换热器性能的对比研究;分别从等导程与等倾斜角两个方面进行了模拟与比较。结果表明,六分方案的壳侧综合性能略高于三分方案,且明显优于弓形方案,其与三分方案一样,也具有高效、低阻、抗振、不易结垢等优点。且在本文的研究范围内,寻找出的最佳六分螺旋倾斜角为25°。而双头螺旋结构虽然能使壳侧换热系数提高,但壳侧压降也明显升高,使得在本文研究范围内双头螺旋方案的壳侧综合性能表现略低于单头螺旋方案。对比分析六分方案、同导程三分方案和同倾斜角三分方案发现,六分螺旋方案的相邻折流板间三角漏流区最小,因而性能表现更优。
  第三,将轴向分隔搭接方式应用于六分结构,以壳径为150mm、折流板倾斜角为15°~26°的普通与轴向分隔六分周向重叠螺旋折流板换热器为研究对象进行模拟与分析,对比研究了两种结构下壳侧流动和换热特性与壳侧流场的异同点。可视化处理结果表明,轴向分隔搭接方式对六分方案壳侧流场的影响与三分方案类似,也会使壳侧性能下降。而数值模拟结果表明,在相同的工程控制偏差下,配合使用轴向分隔搭接方式可使六分螺旋折流板倾斜角系列化的步长由普通搭接方式下的2.5°拓展为12°,说明采用轴向分隔搭接方式六分螺旋折流板的倾斜角系列化步长可以比三分方案的更大。受计算条件限制,本文所研究六分方案尺寸范围仍属于小型换热器,其壳径增大后倾斜角系列化步长情况还需作进一步研究。
[博士论文] 陈伟宇
机械工程;机械设计及理论 东南大学 2017(学位年度)
摘要:本文利用分子动力学模拟、实验测量手段并结合理论分析,研究了能量沿着界面和垂直于界面的输运机理,取得如下研究成果:
  采用非平衡态分子动力学模拟方法研究了界面粗糙度对单层和双层薄膜导热系数的影响。对于单层薄膜,表面粗糙度的引入可以大大增强声子在边界的漫反射,降低薄膜的导热系数。对于双层薄膜,范德华界面粗糙度的引入会增强声子在界面的散射,进而强化了透射声子在双层薄膜热传导过程中的作用,使双层薄膜的导热系数有机会高于单层薄膜的导热系数。
  基于分子动力学模拟方法,研究了碳管搭接方式、碳管层数、碳管轴向应力以及碳纳米管的空位缺陷和氢化对碳纳米管之间接触热导的影响。模拟结果显示碳管的搭接方式、碳管的层数以及碳管的轴向应力对碳管之间的界面热导有很大影响,特别是碳管之间的搭接方式可以使界面热导有数十倍的变化。
  采用非平衡态分子动力学方法,模拟计算了多层石墨烯之间和硅薄膜之间的界面热导随薄膜厚度增长的变化趋势,比较了两种薄膜材料接触的界面热导尺寸效应。模拟结果显示,多层石墨烯之间的界面热导在厚度方向有显著的尺寸效应,随着厚度的增大,界面热导显著增大,而硅薄膜之间的界面热导随着厚度的增大没有明显变化。另外,根据声子辐射理论,采用各向异性的Debye模型,定义了界面热导尺寸效应强度,并计算了尺寸效应强度随薄膜厚度增长的变化趋势。计算结果显示,各向异性材料的声子聚焦效应对薄膜间界面热导的尺寸效应有很大影响。
  采用时域瞬态热反射(time-domain thermoreflectance,TDTR)测量平台测得了Au/graphene/Au和Au/H-graphene/Au的界面热导,测量结果显示,石墨烯作氢化处理后,界面热导减小为原来的~50%。此外,本文还借助分子动力学模拟方法对实验结果进行了分析,模拟结果显示,在声子传输方面,石墨烯的氢化效应导致界面热导降低的百分比不超过30%。模拟结果和实验结果的差异表明声子以外的载流子对Au/graphene/Au界面热导也有不和忽略的贡献。在此基础上本文采用TDTR方法测量了SiO2基底下Au/graphene/SiO2和Au/H-graphene/SiO2的界面热导,通过对测量结果进行分析,发现电子对Au/graphene/Au界面热导的贡献占总热导的~50%。
[博士论文] 丁杨
轮机工程 大连海事大学 2017(学位年度)
摘要:在内燃机中,燃料燃烧的本质之一化学反应——原子之间的键断裂、重组的过程,并放出光和热。宏观表现为化学能转化为热能。作为化学反应动力学的重要参数——化学反应速率常数是燃烧化学中的一项重要科学依据。在燃烧过程中产生的有害物质,特别是氮氧化物和卤代烷的排放对于船舶的建造以及远航运输业也是不可忽视的内容。除此之外,非谐振效应在单分子解离中的重要性正日益显著。因此,探究燃料在燃烧时的化学反应动力学的相关反应过程,研究燃料以及氮氧化物和卤代烷在燃烧反应过程中的反应机理,对提高内燃机的燃烧效率、降低污染物排放以及寻求更加环保的替代燃料等具有重要意义。
  本论文中首先模拟了正丁醇、丁酸甲酯和生物柴油这三种重要的生物质燃料分子分别在低转速二冲程HCCI中不同转速下的燃烧情况,计算了反应器内的温度、压力以及C、CO、NO、NO2、N2O摩尔分数随曲柄转角的变化关系,并与台架试验的Diesel循环的压力曲线进行比较,两种循环的结果比较相近,根据台架试验的压力值计算出Diesel循环的温度曲线与HCCI模拟出的温度曲线进行比较,两种循环的结果比较相近,并且从反应机理的角度对HCCI循环中温度曲线进行了解释。并且对反应过程进行了分析,通过对相关反应机理的研究,分析NOx的生成与转化过程。本论文同时模拟了正丁醇或丁酸甲酯分别与甲烷按比例混合组成的混合燃料在50%工况下的燃烧情况,计算了反应器内的压力、NO和NO2摩尔分数随曲柄转角的变化关系,分析CH4在NOx的生成中起到的作用。根据前第三章和第四章的计算发现,模拟时使用的动力学反应机理存在一定的缺陷,本论文根据过渡态和RRKM(Rice-Ramsperger-Kassel-Marcus)理论,利用Yao-Lin(YL)方法分别对生物质燃料中的丁酸甲酯(CH3CH2CH2C(=O)OCH3)和丙酸乙酯(CH3CH2C(=O)OCH2CH3)的单分子解离反应的速率常数进行了计算,对这两个反应体系中的非谐振效应进行了讨论,并且应用最小二乘法得到了在正则系综下非谐振与简谐速率常数的Arrhenius速率参数。另一方面,论文的最后部分应用准经典轨线法的理论,计算Ca分别处于基态与激发态时与卤代烷烃CH2Cl2的动力学性质:振动分布、反应截面、产物转动取向以及反应速率常数。
  结果显示:(1)对于6S70MC型HCCI的转速从85r/min降低到55r/min,NOx的排放也随之减少。(2)生物质燃料分子与甲烷混合后在65r/min的HCCI中燃烧时,提高甲烷在混合燃料中的比例,NOx的排放随之减少。(3)当系统温度的升高时,丁酸甲酯和丙酸乙酯这两种生物质燃料单分子解离反应的速率常数增大,但速率常数的增长率却减小。(4)对于丁酸甲酯和丙酸乙酯这两种生物质燃料的高温裂解过程,当C-H键断裂而发生异构反应时,反应的非谐振效应均比较明显。(5)反应物Ca处于激发态时与CH2Cl2反应的速率常数要大于反应物Ca处于基态时的反应速率常数。
[硕士论文] 孙景宝
流体机械及工程 扬州大学 2017(学位年度)
摘要:多孔材料作为一种功能型复合材料,以其在隔热、保温方面的独特优势得到了广泛地应用。然而,由于多孔材料的内部孔隙结构异常复杂,难以用传统数学工具去准确描述,因此多孔介质中的热质传递过程及其输运性能的理论预测研究一直以来都难以获得突破性进展。本文基于重正化群变换方法,对具有自相似性特征的分形多孔介质传热过程进行研究,提出了重正化群变换迭代算法,极大地提升了数值计算导热的效率和准确性,并在此基础上,进一步提出了重正化群变换逼近算法实现了对有效导热系数的准确预测。本文的主要研究成果如下:
  (1)由于真实的多孔介质结构异常复杂,直接对其进行传热研究比较困难,且不易得到普适的规律。针对自然界中实际分形多孔介质具有的自相似性特征,构造具有不同结构特征的分形多孔结构,作为研究的对象。通过几何迭代方式生成的具有严格自相似性结构特征的二维Sierpinski地毯模型和三维Menger海绵模型;采用随机生长四参数法生成的具有统计自相似特征的随机分形多孔结构;最后采用二值化处理实物照片的方式提取实际多孔结构。以上构造的多孔结构为后续数值传热研究奠定模型基础。
  (2)基于分形多孔介质的自相似性,利用重正化群变换,在有限体积法基础上,提出重正化群变换迭代算法。计算结果表明,该方法可以极大提升数值计算的速度和效率,并且对于计算精度也有一定程度的提高;相同收敛条件下,该方法的计算时间仅为有限体积法计算时间的1%-20%。
  (3)基于热电传输比拟方法得出了表征随机分布多孔介质有效导热系数预测的通用模型方程—GEM方程。该方程结构简单,包含的几何结构参数仅有孔隙率和结构因子n。本文基于分形多孔介质自相似性特征,结合重正化群变换,提出重正化群变换逼近算法。该算法可以从数值层面准确求解分形多孔介质的结构因子n。通过对计算结果的分析研究,发现GEM方程能够实现对规则、随机分形多孔结构模型的有效导热系数准确地理论预测。
  (4)针对真实多孔泡沫铝结构的导热性能计算应用方面,提出了重正化群变换方法在推广应用方面的具体实施原则,以及计算过程。计算结果表明,重正化群变换迭代逼近方法是具有普遍适用性的。针对GEM方程在理论预测多孔介质有效导热系数方面的优越性,讨论了重正化群变换逼近算法在计算结构因子n时的影响因素。结果表明,对多孔介质结构的采样尺度和取样位置对结构因子的影响很小,在一定的范围内,这些因素带来的误差几乎可以忽略不计。
[硕士论文] 朱玲莉
动力工程及工程热物理;热能工程 东南大学 2017(学位年度)
摘要:从试验与模拟两个方面,对基于组分的生物质热解特性及动力学特性进行研究。首先采用TGA和Py-GC/MS装置对生物质单组分、组分间、金属盐催化分别进行热裂解试验,研究生物质组分热解的动力学特性以及热解产物分布情况。并且基于生物质热解经典的B-S模型,采用Fluent商业软件对喷动床内生物质热解过程进行数值模拟,最终得出生物质热解的气、液、固三相产率。
  由生物质组分的TGA热失重试验表明:纤维素热解反应剧烈,失重率大,木聚糖热解的起始温度较低,而木质素热失重过程缓慢,并且产生较多的焦炭。纤维素与木聚糖混合热解过程中不存在明显的交互作用。纤维素与木质素混合热解过程中存在明显的相互影响,木质素的存在降低了纤维素的热解反应速率,并且热解最终所得焦炭的产率提高。木聚糖与木质素混合热解过程中存在较大的交互作用,主要表现为挥发分析出产率的升高。金属盐的添加促进了纤维素低温分解,降低了反应速率,增加了焦炭产率,其中Na盐对纤维素反应速率的抑制作用较强,而K盐对纤维素低温热解有较强的催化作用。金属盐的添加使得木聚糖初始和终止热解温度提前,并且乙酸盐使得木聚糖的热解速率有所升高,碳酸盐则相反。金属盐的添加对木质素主热解反应阶段的影响很小。
  由生物质组分的Py-GC/MS快速热裂解试验表明:纤维素主要热裂解生成左旋葡聚糖,木聚糖主要生成糠醛与乙酸,木质素主要生成酚类物质。纤维素与木聚糖共热解存在相互作用,纤维素的热解产生的糖类产率受到木聚糖较强的抑制。而纤维素的存在促进了木聚糖醛类与酸类热解产物的生成。纤维素与木质素共热解的相互影响也较明显,木质素的存在对纤维素热解生产糖类具有强烈的抑制作用,而纤维素的存在则促进了木质素热解生成酚类。木聚糖对木质素独特的热裂解产物酚类物质同样具有明显的促进作用。木质素的存在使得木聚糖热解产物中的糠醛以及C=O化合物产量显著下降。同样地,糖类物质也受到了木质素的抑制作用。
  由基于B-S模型的生物质热解过程的模拟表明:生物质热解生成的生物油与热解气在进料口附件聚集形成高浓度区,继而扩大-排出床层-扩散-消失。在生物质热解的起始传热阶段,床内气相温度随着时间的增加而迅速升温。随后升温速率变得缓慢,直到温度稳步升至热解工况所设定的温度,此时床内气相温度基本稳定。不同温度工况下生物质热解三相产率的试验值与模拟值基本一致。
[硕士论文] 杨巧文
机械工程 安徽理工大学 2017(学位年度)
摘要:工业中进行热量传递时,换热机器是极为重要的配置,广泛应用于炼油、原子能、制药、机械等。随着科技的高速发展,节约能源变得十分紧迫,在余热利用、污水处理等领域开始开发并应用一些新型的换热设备,因此换热器的热传递效率、能源利用率的提高以及新型换热设备的开发意义重大。强化换热技术,能够显著的改变换热装置的换热量,而资源利用量的不断增加和国际原油价格的上涨,也促使该技术得以快速发展。
  本文基于该背景下,以去离子水作为冷却剂,对管内流动单相液体对流传热和流动特性展开了数值模拟。利用有限体积法求解计算域里的离散方程,在整个区域里,都利用变物性求解技术及壁面法与标准k-ε方程相结合来求解通道内的流场。
  通过CFD数值模拟方法,本文研究不同热流密度和进口速度对光滑圆管单相液体对流传热和流动特性的影响,同时分析了光圆管内压力场、速率场,温度场等的特征。可得:在不同的进口流速下,水流进口速度越大,管道的换热特性越强;水流进口速度越小或热流密度越大,通道内水流单位压降值越小,能量损耗越少。考虑到不同种管形的换热性能会有很大差异,本文对具有相同当量直径的不同截面形状的换热管进行模拟计算,研究不同截面形状对单相流体流动特性的影响。结果表明:沿着流场方向,壁温均不断下降,正方形截面通道换热性能最好,矩形管次之,圆形管最差。
[硕士论文] 常瑞虎
机械制造及其自动化 兰州理工大学 2017(学位年度)
摘要:岷县气候适宜,是种植和储藏药材的天然宝地。药材当归根是由挥发性和非挥发性成分组成,挥发性成分占的比例高达60%,从古至今因其具有很高的药用价值而被医学名家所推崇。近几年随着药材市场需求的不断扩大,产量也在大幅增加,随着市场需求增大,当归的半成品储藏尤为重要,而半成品储藏之前的干燥处理的好坏是衡量当归实用价值的主要指标之一。为此,如何采用合理的干燥设备和干燥工艺以获得较高品质的当归显得更加重要。
  在众多的干燥方式中,对流干燥具有易操作、构造简单、实用性高等特点而得到人们的广泛追逐,是目前生产中使用最多的干燥方式之一。但不足之处也比较明显,例如:太阳能热风不足是干燥效率比较低,因为在干燥后废气直接排掉,效率仅仅是35%~58%,这也是太阳能热风干燥最显著的缺点。再有现在有少部分对流干燥可以回收废气再循环,不但回收量比较少,不到30%;而且回收的大部分是显热。高达80%的热量是以潜热形式存在的,仍然会被浪费掉,由于要高质量的利用热量,就必须回收废气中的潜热,热泵可以实现这一目的。目前国内外学者对太阳能热风以及热泵的单一干燥装置的研究、优化与应用已有相当长时间,但仍存在诸多的问题:太阳能热风干燥受天气的影响比较大,难以持续干燥物料;太阳能热风干燥难以回收排气潜热,造成极大的能源浪费,且对环境造成热污染;热泵需要消耗电能,在一些不发达区域可能节能不节钱,因此不提倡采用单热源除湿干燥装置。
  鉴于以上原因及根据农作物和中药材在干燥过程中出现的许多问题,结合太阳能热风、热泵干燥循环的特殊性和优缺点,选择中药材“岷归”作为干燥对象,主要研究内容如下:
  首先,在太阳能充足西北地区,作者提出把太阳能与热泵联合干燥装置用到中药材“岷归”的干燥过程当中。根据实际情况采纳现代设计理念—积木式原理,可按要求直接装配。
  其次,以传热传质的理论研究为基础,以空气作为直接干燥介质,设计了固体储热材料蓄热型干燥室;在此基础上改善蓄热型干燥室,可以减少介质能量的浪费;运用 Pro/E软件设计厢式干燥室,其后运用 Fluent软件仿真模拟干燥室内流场,然后分析流场并优化干燥室结构;干燥室内流场的均匀性是影响产品干燥质量的重要因素之一,采用导流板对流场的分布不均匀性进行改进,得到最优匹配结构。
  最后,针对提出及设计的太阳能热泵联合干燥系统,进行前期实验台研制。
  本项目的研究成果可为当归干燥室的设计提供一定的理论指导,可进一步搭建实验平台,研究当归的热风干燥特性及系统的性能。还可以推广应用到其它中药材中,以解决西北地区中药材及农产品干燥主要难题,有助于提高中药材及农产品干燥加工速度及品质,降低干燥能耗,促进中医药及农产品产业的可持续发展。
[博士论文] 丁宽
动力工程及工程热物理;热能工程 东南大学 2017(学位年度)
摘要:可燃固体废弃物(CSW)作为一种有机碳源,可用于开发替代部分石油的液体燃料与化学品,从而缓解我国能源短缺和废弃物处理困难两方面难题。在众多CSW高值化开发技术方法中,热解制备高品质液体产物技术具有良好的发展前景。本文从基础和应用两个方面出发,在CSW原料的热解动力学、热解产物高值化的机理和特征、热解产物性质和潜在利用途径以及热解过程数值模拟等方面开展了较全面的研究。
  在热重反应器中研究了两种常见CSW原料的热解失重特性及动力学。废纸板和废轮胎在约220~400℃和159~523℃范围内分别有一个主要失重峰,且受升温速率的影响比较明显。利用高斯分峰拟合方法对微分失重(DTG)曲线进行拟合,发现废纸板DTG曲线可用两个峰进行拟合,而废轮胎DTG曲线需要三个峰进行拟合,每一个拟合峰均可代表原料的不同失重机理。利用Coats-Redfern法计算动力学参数,随后联合使用Flynn-Wall-Ozawa法和Malek法筛选出最合适的机理函数,从而获得了两种原料在主要失重阶段的动力学模型及相关参数。
  利用裂解-气相色谱/质谱联用仪(Py-GC/MS)研究了催化剂及改性催化剂对废纸板快速热解制备芳香烃的影响。废纸板快速热解产物以糖类、醛类、酮类等含氧有机物为主,品质较低。添加微孔分子筛HY、HZSM-5(HZ)和廉价矿石凹凸棒土(PA)促进了芳香烃的生成,提高了产物品质。为进一步提高催化剂活性,对效果良好的HZ进行碱处理改性,获得含微孔和介孔的分级孔道分子筛,其孔道扩散性能得到明显改善。经过温和碱改性(NaOH溶液浓度≤0.3M)的HZ显著增加了目标产物BTX(苯、甲苯和二甲苯)的产量,并有效减少了HZ的结焦率,实现了废纸板热解产物高值化。
  利用Py-GC/MS探索了废轮胎催化快速热解制取芳香烃的机理。对废轮胎热解重要产物D-柠檬烯的降解过程进行了研究,发现其在600℃及更高温度下被芳构化。根据产物分布及文献报导,提出了D-柠檬烯在不同温度下降解主要途径,并利用这些途径解释了废轮胎热解产物转化特性。对废轮胎及其中间产物的催化热解试验研究发现,HY、HZ和PA对芳香烃的催化机理各不相同:HY催化D-柠檬烯和聚丁二烯橡胶(BR)热解产物芳构化效果良好,而HZ仅对催化BR热解产物芳构化效果明显,PA则对芳香烃和烯烃产物均有一定促进效果。该结果解释了废轮胎催化快速热解产物向芳香烃转化的途径,从而有利于废轮胎热解产物高值化。
  在最大处理量为10kg/h的流化床反应器内,进行了实际CSW混合原料的热解制油试验。采用多级冷凝系统,获得38.4~56.5wt%热解油产物,分为水溶相和有机相。水溶相含水率高,主要有机组分为酸类、羰基类、酚类和糖类,可提质后加以利用。而有机相几乎不含水,主要由芳香烃和酚类组成,且重金属Cd、Pb和Zn含量低,燃料性质与原油相近。水溶相和有机相分层有利于CSW热解油的分级利用,二者可通过不同的方式加以利用。除热解油外,热解炭和热解气产物可通过燃烧为热解反应提供热量。
  在试验研究基础上,对CSW在流化床内的热解过程进行了数值模拟研究。采用双欧拉模型模拟多相流流动,多组分、多步反应模型模拟CSW原料的热解过程。编制了非均相反应的用户自定义函数(UDF)程序,利用计算流体力学(CFD)软件进行耦合计算。模拟结果表明,随着热解时间的增加,流化床内逐渐趋于稳定流化状态,出口产物流量在±10%范围内波动。模拟了工况对产物产率的影响,发现热解温度对产物产率影响最大,而初始床层高度对产物波动影响最明显。与试验结果相比,模拟获得的床内温度分布结果与产物产率随温度的变化规律结果基本一致。CSW热解过程的CFD模拟结果可为工艺设计和工况优化提供有价值的参考。
[硕士论文] 安玉磊
动力工程及工程热物理;制冷及低温工程 东南大学 2017(学位年度)
摘要:常规有机朗肯循环Organic Rankine Cycle(ORC),采用纯工质作为循环工质,虽然具有节能、低碳、环保的优点,但是存在循环效率低、经济价值不高的缺点。混合工质具有提高ORC循环效率的潜力,因此本论文模拟研究混合工质对ORC热机效率的影响。
  本文以6kW发电量的ORC热机作为对象,冷源温度为25℃,热源温度在70℃~140℃区间变化时,研究ORC热机的效率变化。主要研究工作包括:
  1)工质选型:选择四种纯工质R123、R142b、R600a、R245fa、两组混合工质R123/R142b和R600a/R245fa作为研究对象;
  2)基于Redlich-Kwong-Soave状态方程及热力学普遍关系式,利用VB语言对所选纯工质和混合工质(采用摩尔浓度)建立热力学模型;
  3)数学模型包括蒸发器、膨胀机、冷凝器、工质泵、以及ORC系统;
  4)采用纯工质对ORC系统进行模拟研究;
  5)采用混合工质对ORC系统进行模拟研究;
  6)分析对比混合工质ORC与纯工质ORC的效率特性;
  本文的研究结果如下:
  (1)合理使用混合工质可以实现循环效率的提升:在热源70℃~140℃区间,混合工质R600a/R245fa(0.6/0.4)时,系统循环效率最大值比R600a的最大值提升16.2%,比R245fa的最大值提升29.2%,平均提升22.7%。
  (2)不同混合工质循环效率提升的潜力不一样:混合工质R123/R142b在浓度比为0.5/0.5时,系统循环效率最大值比R123的最大值提升22.7%,比R142b的最大值提升5.3%,平均提升14.0%。循环效率提升的潜力受滑移温度的影响,R123/R142b(0.5/0.5)的滑移温度6.7K,低于R600a/R245fa(0.6/0.4)的滑移温度7.8K,因此循环效率的提升潜力低于R600a/R245fa(0.6/0.4)。
  (3)每种纯工质都存在一个最佳的热源温度,低于或者高于该温度值时循环效率会减小;不同工质所对应的最佳热源温度不一样;该最佳温度值高于最大等熵效率对应的热源温度值。以R123为例,最大循环效率0.07对应的热源温度为115℃,高于最大等熵效率对应的热源温度93℃。
  (4)混合工质也存在与纯工质类似的最佳热源温度,以混合工质R123/R142b浓度比为0.5/0.5为例,系统循环效率最大值0.076对应的热源温度为120℃,比最大等熵效率对应的热源温度85℃高35K。热源温度从120℃这一点继续升高,循环效率反而下降。
  本文对使用混合工质与纯工质在ORC系统循环效率方面的对比研究,对如何提高ORC热机循环效率的理论研究和技术开发具有一定的指导意义。
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