为了改善ANSYS-Fluent软件中用于辐射传热计算的球形谐波法仅限于其最低阶(P1)形式的现状,基于高阶球形谐波法求解辐射传输方程的基本原理,利用ANSYS-Fluent软件提供的用户自定义函数(UDF)和用户自定义标量(UDS)接口,通过对控制方程和边界条件的耦合数值求解,开发了适用ANSYS-Fluent软件的高阶球形谐波法辐射传输方程求解模型。模型的精度通过对一维、二维平板及二维轴对称火焰的辐射传热进行计算,并且与相应的精确解或光子蒙特卡罗(PMC)解进行对比来实现。结果表明:开发的P3模型相比于ANSYS-Fluent软件中自带的P1模型无论是在计算辐射强度的角空间分布还是在辐射传热的总体热源方面都更加准确。

基于循环流化床(Circulation Fluidized Bed, CFB)技术的纯氨燃烧有望高效、低成本地解决氨燃烧面临的火焰传播速度低、燃烧稳定性差等问题,从而助力基于可再生能源的无碳燃料的消纳利用。构建了氨燃烧CFB整体数学模型,同时考虑了氨的均相反应及异相催化反应,探究了纯氨燃烧CFB锅炉的氨逃逸、氮氧化物等排放特性,并分析了床温、过量空气系数、空气分级、燃料分级等运行参数对排放特性的影响。结果表明:直接将常规燃煤CFB锅炉结构与运行策略应用于纯燃氨CFB锅炉会导致较高的氨逃逸与氮氧化物排放体积分数,而适当调整运行参数可以显著改善排放特性。

为了研究含颗粒耗散介质对可听声波的衰减机理,以电站锅炉炉膛为研究对象,在比较边界层厚度与颗粒半径的基础上,给出了不同边界层厚度下的声衰减计算公式。根据边界层理论进行数值分析,讨论了不同边界层厚度下声衰减系数随颗粒体积分数、声频率、颗粒粒径、烟气温度和烟气密度的变化规律。结果表明:薄边界层下的声衰减主要源于烟气媒质吸收和散射衰减,中边界层和厚边界层下的声衰减主要源于颗粒介质表面边界层的能量损失;声衰减系数随着颗粒体积分数、声频率和烟气温度的增大而增大,但随着烟气密度的增大而减小,该研究为粉尘浓度的在线监测提供了理论基础。

温度测量对于电厂锅炉和其他大型工业设备的安全稳定运行至关重要。传统温度测量方法只能获得点参数,而不能获得连续参数场。声波层析成像不仅可以有效地获得温度的相对大小,而且大大降低了成本和难度,适用于炉膛内温度测量。搭建了一个简单的二维实验尺度声学测温平台,对利用声学方法重建温度场算法进行了验证。根据声速与气体介质温度的关系,在温度场重建中采用最小二乘正交三角分解(LSQR)算法,能够准确反映目标区域(ROI)的温度分布。引入径向基函数可以极大地提高LSQR算法的重建精度。结果表明:声速法重建二维温度场在实际测量中是可行的。

为了研究吸力面合成射流对亚音速轴流压气机气动性能的影响,以一台高转速亚音速轴流压气机转子为对象开展数值研究。结果表明:受到合成射流激励后,压气机流量裕度减小了1.3%,但峰值效率提升了0.47%;分析内部流场后发现,叶顶泄漏及分离损失、通道损失是该压气机的主要损失来源,在叶片的吸力面布置合成射流激励能够有效减少叶顶泄漏及吸力面分离损失、通道损失和出口损失,而且合成射流的吸气作用相比吹气作用对于减少压气机损失更为有利;受到激励后,压气机通道内的气流径向速度更大且向叶顶聚集,导致叶顶堵塞反而比原型压气机更加严重,使得稳定裕度略有下降。

当前核级管路支架人工迭代调整的布置方式占据核电站设计周期的比例较大,且无法实现支架数量和位置的最优选择,难以兼顾经济成本和力学性能。为此,借助管路有限元力学分析和非支配排序遗传算法(NSGA-II),提出一种面向三维空间核电管路多力学目标性能的支架智能优化布置方法。2种典型核级管路支架设计示例表明:该智能布置方法具有良好的效果,可有效提高设计效率、降低劳动强度,不仅使管路最大应力皆小于RCC-M 《压水堆核岛机械设备设计和建造规则》规范限值,且仍有一定裕量,还能快速分析支架数量的影响,获得兼顾经济性和安全性的最优方案;该智能优化布置方法为核电管路系统支架布置提供了新思路。

为保证吸热器安全高效运行,以太阳能高温腔式吸热器为研究对象,建立热-力学耦合模型,对典型运行工况下吸热器的传热性能及力学性能进行数值模拟。结果表明:吸热器螺旋盘管表面的温度分布不均匀,最大温差达247.37 K,造成热应力分布不均;云层遮挡导致工质出口温度变化频繁,最大差值达185.70 K,影响系统的稳定性;在云层遮挡前后管壁温度和应力发生剧烈变化,缩短了吸热器的使用寿命;在启动和稳定状态下,质量流量对管道应力的影响结果相反;启动质量流量为0.02 kg/s时,工质出口温度较高,但最大应力接近其许用应力,安全裕度较低;在实际运行中,需结合具体情况,综合考虑效益与安全的平衡,确定最优启动质量流量。

针对超短期光伏发电功率预测,提出一种基于自适应噪声的完备经验模态分解(CEEMDAN)-变分模态分解(VMD)-双向门控循环单元(BiGRU)的混合预测模型。采用CEEMDAN对光伏发电功率信号进行分解,通过样本熵和K-means方法对分解后信号进行聚类重构;再利用VMD对复杂信号进行二次分解,以削弱信号的非平稳性;将分解后各信号分量作为BiGRU模型的输入进行训练、验证和预测,然后线性叠加各信号分量预测结果,得到最终预测结果。结果表明:混合预测模型的预测精度高于单一模型,验证了混合预测模型的有效性;通过对比典型天气情况下的预测效果及各项评价指标,验证了所提出方法的通用性。

为探讨非谐设计在分流叶片离心叶轮上的可行性及气动降噪程度,以离心压气机叶轮为研究对象,采用全流道非定常数值模拟和FW-H气动噪声模型,对比分析了4种分流叶片非谐叶轮和原始均匀叶轮的气动噪声特性,通过叶片表面压力脉动频谱特性和湍动能分布揭示了非谐设计对气动噪声的影响机理。结果表明:分流叶片周向角非谐设计在保证气动性能的同时,可以降低离散单音噪声;在采用的对比方案中,叶轮A1降噪效果最为明显,在第1、2和3阶处叶片通过频率的声谱密度分别下降43百分点、44百分点和50百分点,对应的压力脉动幅值分别下降25百分点、25百分点和30百分点,同时宽频噪声水平相比原始均匀叶轮明显增加。

针对1.5 kW分布式新型变桨风力机,通过数值模拟方法计算均匀来流和切变来流条件下的结构动力响应,分析桨距角、风速、剪切指数变化对新型变桨风力机叶片结构动力响应特性的影响规律。结果表明:随着桨距角的增加,风力机叶片的应力响应及位移响应明显降低,且来流风速或剪切指数越大,其降幅越大;在切变来流条件下,风力机叶片所受应力响应和位移响应均随剪切指数的增加而增加;在复杂风况下变桨距调节方式对于叶片降载具有可行性,同时可为分布式风力机在复杂风况下的结构及性能优化提供参考。

为解决高比例新能源接入背景下无功补偿不充分的问题,提出了一种计及风电场无功支撑性能的多目标优化调度策略。从电力系统运行的电压稳定性、无功裕度安全性和功率损耗经济性方面分析了风电场无功支撑性能,构建了考虑多指标满意度区间的二次函数组,建立了系统多区间动态优化模型;同时,针对无功优化调度问题的非线性、多约束等特征,提出了自适应混沌差分磷虾群算法(A-CDKH);最后,通过修改的IEEE30节点模型和某实际风电场模型上的仿真结果证明了所提策略的优势性及有效性。结果表明:相比于多目标模糊优化模型,采用多目标动态优化模型所求得的电压偏差指标最高可达到32.99%的优化程度;在电压偏差指标上,A-CDKH相比于其他算法最多能优化75.94%。

针对电磁轴承支承的高速飞轮储能转子系统振动抑制问题,提出一种降阶线性自抗扰控制(rLADRC)方法。首先,建立考虑陀螺效应及不平衡力的刚性飞轮转子系统径向四自由度二阶数学模型;其次,将各自由度数学模型中本自由度项作为内部扰动,其他自由度项带来的耦合和不平衡力项作为外界扰动,进而设计降阶线性扩张状态观测器(LESO)对总扰动进行实时估计;最后,设计线性状态误差反馈控制律(LSEF)并对总扰动进行补偿。结果表明:rLADRC能够实现转子径向四自由度之间的有效解耦,与传统分散比例积分微分(PID)控制和线性自抗扰控制相比,具有良好的动态性能和较强的扰动抑制能力,可在全转速范围内实现飞轮转子系统的稳定悬浮和对振动的有效抑制。

针对风力机齿轮箱振动信号具有强非线性特征,提出了改进变分模态分解方法对信号进行分解以提取特征分量,并以混沌相图及Lyapunov指数量化信号的非线性变化。采用随机近邻嵌入算法对多模态非线性故障特征集的冗余特征进行降维,以保证故障特征提取的可靠性并提升故障诊断准确率,所提出的无监督故障诊断框架无需人为对故障样本进行标注,更适合工程应用,并将所提方法应用于NREL GRC风力机齿轮箱故障。结果表明:改进变分模态分解方法可准确实现多模态特征提取,结合随机近邻嵌入算法,可有效消除冗余特征保证故障信息的可靠性,且同类样本聚集、异类样本差异增大,聚类表现更清晰,提升了故障分类的准确率。

针对风电机组偏航轴承损伤识别问题,提出了基于强化双树复小波包变换的损伤识别方法。首先,通过双树复小波包变换与线性峭度结合对不同分解层数下的分量计算平均线性峭度值,确定最优分解层数;其次,对最优分解所得小波系数及尺度系数进行幅值调制,进而增强不同信号成分的能量;然后,采用散布熵指标确定各分量最佳调制系数并通过双树复小波包逆变换得到修正信号;最后,对修正信号作归一化平方包络谱分析提取故障特征频率。结果表明:所提方法能够实现复杂工况下偏航轴承损伤类型的准确识别,具有一定工程参考价值。

针对凝汽器设备多模态运行过程的在线监测与故障特征提取问题,提出了一种融合k-means聚类与重构主成分分析的故障特征提取方法。首先,采用k-means聚类进行模态识别,聚类结果表明不同模态之间平方预测误差(SPE)统计量存在显著差异,需要对子模态分别建立监测模型。为有效获取故障特征,抑制故障分离过程中的残差污染现象,采用重构主成分分析法获取故障特征向量,实现了面向多模态过程的故障特征提取。结果表明:使用重构贡献图法能够分离检测出故障变量及其特征向量,且能有效避免残差污染问题,具有良好的故障定位精度。

煤气化细灰(CGFA)是煤不完全气化的产物,其具有排放量高和难处理的特点,这导致CGFA面临环境污染与资源浪费的问题。为进一步推动CGFA的可持续化、高值化利用,将CGFA作为碳源,通过低温碱熔耦合KOH活化处理的方法制备了双电层型超级电容器用活性炭,对比了不同KOH用量下活性炭样品的理化特性和电化学性能。结果表明:在脱灰碳(RC)与KOH质量比为1∶1~1∶4的范围内,随着KOH用量的增加,活性炭样品的无序性、比表面积、总孔体积和介孔占比都呈现出逐渐上升的趋势。这些参数越高,活性炭样品的质量比电容越大;当RC与KOH质量比为1∶4时,活性炭样品比表面积为1 938.03 m²/g、总孔体积为1.62 cm³/g,介孔占比为82.82%,质量比电容达到了215.56 F/g(电流密度为1 A/g),倍率性能为88.66%(电流密度为1~20 A/g);组装所得的对称型超级电容器的能量密度为7.23 (W·h)/kg(对应的功率密度为300 W/kg),其在100 000圈循环后电容保持率为100.45%。

为了提高固体垃圾废物的处理能力,实现垃圾废物的多元化利用,提出了一类基于垃圾衍生物(RDF)等离子气化与电解水补氢耦合轮胎热解制取甲醇、油等的新型一体化集成系统。该系统以等离子气化炉为主体核心,带动轮胎热解子系统工作,实现了能量的梯级利用。结果表明:该系统的能量效率为58.24%,效率为64.41%,能量损失的主要来源在于甲醇合成部分,而损失则主要在于等离子气化部分;根据经济性分析结果,该系统的总投资为3 566.56万元。在系统寿命为25 a,动态回收周期为3.15 a,最终系统的净现值可达到17 177.10万元。

考虑冷热电多种负荷需求响应(Demand response,DR),引入碳排放成本,并以日总成本最小为目标,构建了一个含先进绝热压缩空气储能(Advanced adiabatic compressed air energy storage,AA-CAES)的冷电热综合能源系统(Integrated cold-electricity-heat energy system,ICEHS)优化运行模型。首先,考虑冷热电3种负荷的需求响应,对AA-CAES产生的电能、热能和冷能进行建模。其次,对源荷不确定性采用拉丁超立方采样与K-means聚类相结合的方法进行处理。最后,以ICEHS购能成本、运维成本、需求响应成本、碳排放成本之和最小为目标函数进行研究。以一个典型的社区综合能源系统作为算例,设置4种典型场景对所提模型的有效性进行验证。结果表明:AA-CAES和DR能有效降低ICEHS成本和碳排放量。