动力工程学报

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基础研究

变比例相变级联堆积床的蓄热特性研究

丛钰, 曹丽华, 孟雨欣, 张仲彬

2023, 43(3): 283-291. https://doi.org/10.19805/j.cnkij.cspe.2023.03.001

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CM温度等指标,并对比分析了蓄热量、㶲效率、蓄热速率和蓄热速率密度等表征堆积床热性能的指标。结果表明:随着高熔点相变材料占比的增加,堆积床可以获得较高的㶲效率,但其他指标均随着低熔点相变材料占比的增加而升高;与均分的级联堆积床相比,按熔点从低至高,PCM占比呈梯级升高或降低的级联堆积床的蓄热品质及蓄热效率提升显著,证明合理优化级联堆积床内相变材料的比例可有效提升级联堆积床的热性能。

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基础研究

低雷诺数下二自由度圆柱涡激振动时的流动和传热

王刚, 王治云, 章立新, 尚立新, 杨茉

2023, 43(3): 292-299. https://doi.org/10.19805/j.cnkij.cspe.2023.03.002

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采用数值方法研究了低雷诺数下流体扰流圆柱发生涡激振动时流体的流动、圆柱的振动及流体与圆柱之间的传热特性。采用有限体积法求解Navier-Stokes方程获得流场,同时采用四阶龙格-库塔算法求解圆柱的运动特性,分析了不同雷诺数和折合速度U_r对二自由度圆柱涡激振动及其传热的影响。结果表明:在不同折合速度下圆柱振动会呈现"8"形运动轨迹,涡脱落模式为"2S";圆柱涡激振动时传热强弱受自身涡脱落频率和振动幅度的影响;对于二自由度涡激振动圆柱,当U_r=4时圆柱涡脱落频率最接近圆柱的固有频率,圆柱振动剧烈,振动幅度大,同时传热最强,且二自由度涡激振动圆柱的时间平均努塞尔数明显大于一自由度圆柱。

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基础研究

H₂O对O₂/H₂O条件下HCN氧化影响的反应分子动力学模拟

洪迪昆, 翟晓明, 郭欣

2023, 43(3): 300-306. https://doi.org/10.19805/j.cnkij.cspe.2023.03.003

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采用ReaxFF MD方法研究了高浓度H₂O的化学作用对O₂/H₂O气氛下HCN氧化反应的影响,将不同温度下反应后HCN含量分布的实验结果与ReaxFF MD模拟结果进行对比,分析了O₂/N₂和O₂/H₂O气氛下HCN反应速率、O和OH自由基分布以及CO和CO₂产物分布,并通过含氮物种的演变路径和分布规律揭示了H₂O对NO生成的影响机理。结果表明:在1100~1350 K实验温度范围内HCN含量的分布结果与1500~2500 K模拟温度范围内的结果相吻合;H₂O增加了OH自由基含量,从而促进了HCN的氧化以及CO向CO₂的转化;尽管H₂O增强了HCN[FY]HOCN[FY]NH₂[FY]HNO[FY]NO路径对NO生成的贡献,却大大减弱了HCN[FY]CN[FY]N[FY]NO路径对NO生成的贡献,从而整体上抑制了NO的生成。

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动力设备与系统

超超临界锅炉垂直管圈水冷壁焊缝交错区域温度场建模及热应力模拟

钱钧, 严祯荣, 王化南, 陈乐, 何翔, 马达夫

2023, 43(3): 307-313. https://doi.org/10.19805/j.cnkij.cspe.2023.03.004

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以某660 MW超超临界锅炉为对象,构建垂直管圈水冷壁焊缝交错区域温度场模型,研究热应力分布对裂纹的影响。结果表明:焊缝交错区域管环焊缝向火侧顶点的温度高于直管段管壁向火侧顶点温度,发生超温时比直管段管壁向火侧更容易开裂;水冷壁管最大轴向拉应力位于焊缝交错区域管环焊缝焊趾向火侧顶点附近,在变负荷运行工况下易导致交变热应力,产生沿管环焊缝焊趾延伸的横向裂纹;焊缝交错区域应力集中处的等效应力大于直管段对应处,背火侧管环焊缝焊趾与鳍片角焊缝交接处等效应力最大,超过对应的高温屈服强度,材料在交变热应力作用下会诱发裂纹,裂纹沿管环焊缝焊趾向背火侧管壁延伸。

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动力设备与系统

基于白噪声信号的旋流预混火焰传递函数的数值模拟

任立磊, 郭庆波, 王昆, 覃宇鹏, 杨雨

2023, 43(3): 314-318. https://doi.org/10.19805/j.cnkij.cspe.2023.03.005

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利用2种不同的宽频噪声信号对旋流预混火焰进行扰动,并比较二者的频谱特性,利用经典的比例控制环节验证传递函数程序的准确性;通过不同位置速度脉动之间的传递函数,以及火焰热释放与速度脉动之间的火焰传递函数验证了计算结果的准确性。结果表明:2种信号的火焰传递函数基本重合,且具有明显的对流特性,对流涡与火焰之间的相互作用是导致热释放波动的内在机理;幅频特性表现出了明显的低通特性,相频特性满足比例关系,研究对于燃烧室设计具有重要的实际工程应用价值。

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动力设备与系统

进气条件对扇形孔气膜冷却特性的影响

刘鹏敏, 崔晓峰, 林翅翔, 戴韧

2023, 43(3): 319-325. https://doi.org/10.19805/j.cnkij.cspe.2023.03.006

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在横流进气条件下,基于气膜冷却平板实验研究了不同吹风比下横流比为0、0.2和0.4和入口(横流上游侧和下游侧)堵塞对扇形孔气膜冷却特性的影响。结果表明:横流比由0.4降到0.2时,扇形孔的气膜偏斜程度降低,气膜性能提高;横流比进一步降到0,气膜偏斜方向相反,偏斜程度反而增强,气膜性能降低;横流下游侧堵塞加剧了气膜偏斜程度,气膜冷却效果变差,而横流上游侧堵塞改变了气膜偏斜方向,增强了气膜覆盖效果。因此入口堵塞对扇形孔气膜冷却效率的影响程度与孔的位置和冷气流动条件有关。

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动力设备与系统

三代核电设备鉴定用浸没试验系统的设计与验证

葛磊, 陈功名, 吴丹蕾, 陈植强

2023, 43(3): 326-331. https://doi.org/10.19805/j.cnkij.cspe.2023.03.007

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为了验证三代核电厂核级设备在浸没条件下的功能特性,通过分析浸没试验要求曲线及影响试验效果的关键问题,设计了1套浸没试验系统,并对该系统进行调试。结果表明:调试后系统得到的试验曲线与试验要求曲线吻合,该浸没试验系统满足核级设备鉴定的需要,可模拟设备在核电厂发生事故后的浸没状态。

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新能源与储能

SCR催化剂活性组分V对SO₂氧化影响的研究

尹子骏, 苏胜, 钟毓秀, 卿梦霞, 黄见勋, 汪一, 胡松, 向军

2023, 43(3): 332-340. https://doi.org/10.19805/j.cnkij.cspe.2023.03.008

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采用超声浸渍法制备V₂O₅-TiO₂催化剂,研究了不同V负载量对催化剂表面SO₃生成的影响,并通过N₂吸附、X射线衍射(XRD)、拉曼分析(Raman)、X射线光电子能谱(XPS)、NH₃程序升温脱附(NH₃-TPD)、H₂程序升温还原(H₂-TPR)等方法对催化剂样品进行表征分析。结果表明:随着活性组分V负载量的增加,反应过程中催化剂的V⁴⁺和V³⁺生成含量也随之增加,催化剂表面酸性增强,导致催化剂表面通过V=O键吸附的氧(Oα)增多;SO₂通入后会与催化剂表面的V=O发生反应,V⁵⁺被还原为V⁴⁺的同时能提供更多的表面吸附氧(Oα),使得SO₂被氧化为VOSO₄,另一方面SO₂也会与催化剂表面［V⁵⁺］—OH基团发生反应生成HSO^-₄,同时V⁵⁺被还原为V⁴⁺;反应过程中O₂的作用并不是直接提供O原子将SO₂氧化,而是与VOSO₄反应重新生成V=O,使得V⁴⁺再次氧化为V⁵⁺。

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新能源与储能

垂直轴风力机尾迹的时空特性

田甜, 孙翀, 竺晓程, 杜朝辉

2023, 43(3): 341-348. https://doi.org/10.19805/j.cnkij.cspe.2023.03.009

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基于非定常流场计算结果,对三叶片垂直轴风力机尾迹流场进行数值模拟,并在叶尖速比为2.65工况下对风力机尾迹流场进行频谱分析,然后采用动力模态分解(DMD)方法对垂直轴风力机尾迹流场进行模态分析。结果表明:近尾迹、过渡区尾迹和远场尾迹区具有不同的频率特征;而DMD分解结果提取了对应上述不同特征频率的流动模态,成功捕捉到了下游尾迹流场中不同尺度的流动结构,前5阶主要模态直观显示了尾迹流场中3个不同区域的流动特征结构。

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新能源与储能

基于碳捕集系统半闭式S-CO₂布雷顿循环性能分析

田松峰, 刘亚轩, 李正宽, 刘诗尧, 包忠祥

2023, 43(3): 349-358. https://doi.org/10.19805/j.cnkij.cspe.2023.03.010

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针对高温钙基碳捕集技术回收储存过程中未利用CO₂的超临界、流量大等特点的问题,采用半闭式超临界二氧化碳(S-CO₂)布雷顿循环系统取代传统CO₂回收系统,以降低由于碳捕集系统所造成的热量损失。利用Aspen Plus软件搭建耦合钙循环碳捕集的燃气轮机发电模型,在其CO₂回收系统中耦合S-CO₂布雷顿循环系统和跨临界二氧化碳(T-CO₂)布雷顿循环系统,使用精准度更高的REFPROR物性方法研究主压缩机出口压力、透平入口温度、透平入口压力及分流系数对循环系统净做功的影响。结果表明:CO₂回收系统中耦合S-CO₂布雷顿循环系统可以使全厂热效率提升1.7%,全厂㶲效率为26.98%;采用分流纯净烟气的方法作为S-CO₂布雷顿循环系统的热源,可使同一热源的热效率提升6.7%。

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新能源与储能

阴极挡板排列对PEMFC反应物输运和性能的影响

储旭, 郭雪岩

2023, 43(3): 359-364. https://doi.org/10.19805/j.cnkij.cspe.2023.03.011

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为了改善质子交换膜燃料电池(PEMFC)的性能,采用流道内使用挡板堵塞的方法,以增强反应气体向催化层的传质。建立了一个三维、两相、稳态的PEMFC数值模型,研究了凸字排布、顺排和逆排这3种不同阴极流道挡板的排布方式对PEMFC性能的影响,并与无挡板常规流场进行对比,然后在最佳排布方式的基础上研究了挡板形状(矩形、梯形和半圆形)对PEMFC性能的影响。结果表明:PEMFC阴极流道挡板顺排性能最好,相较于无挡板常规流道,净功率提升了14.3%;使用梯形挡板的PEMFC性能最好,相较于无挡板常规流道,净功率提高了16.4%。

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绿色低碳

双搅拌反应釜NaClO₂同时脱硫脱硝的宏观反应动力学研究

臧瑶, 钱鑫, 梁子安, 金泉至, 刘凤, 齐立强

2023, 43(3): 365-371. https://doi.org/10.19805/j.cnkij.cspe.2023.03.012

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采用自行设计的小型双搅拌反应釜,以NaClO₂溶液为吸收剂,在保持气液传质界面面积不变的条件下开展了模拟烟气同时脱硫脱硝的反应动力学研究。研究了溶液pH、反应温度以及SO₂、NO和NaClO₂初始浓度对SO₂、NO和NO_<i>x反应速率的影响,并得到NO和SO₂的反应级数和反应速率常数。结果表明:在一定范围内适当升高反应温度和降低溶液pH均有利于NO_<i>x反应速率的提高;NO初始质量浓度对SO₂反应速率的影响不显著,但随着NO初始质量浓度的增大, NO和NO_<i>x的反应速率提高;随着SO₂初始质量浓度的增加,SO₂的反应速率增大,而NO_<i>x反应速率呈先增大后变化减缓的趋势;NO和SO₂的反应级数分别为0.699和0.843,反应速率常数分别为6.30 mg^0.301/(m^2.903·s)和2.20 mg^0.157/(m^2.471·s)。

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绿色低碳

旋流烟气下喷雾干燥脱硫塔中气液分布及混合特性的数值研究

陈宏, 唐强, 匡增辉, 米慧, 丁柏中

2023, 43(3): 372-379. https://doi.org/10.19805/j.cnkij.cspe.2023.03.013

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针对喷雾干燥脱硫塔中的混合问题,采用离散颗粒相模型(DPM)对塔内液滴群径向位移、液滴群散布及气液混合进行数值分析,重点考察烟气入口旋流强度S和液滴群平均粒径d的影响。结果表明:烟气入口旋流强度从0增加到0.5时,液滴群径向位移先缓慢减小后迅速增大;液滴群平均粒径从65 μm增加至150 μm时,液滴群径向位移近似线性增大;随着烟气入口旋流强度和液滴群平均粒径增加,液滴群散布程度呈先增加后减小的趋势;合适的烟气入口旋流强度和液滴群平均粒径能有效减小气液混合度,显著改善气液混合效果;烟气入口旋流强度为0.3时,液滴群径向位移和气液混合度最小,与无旋流相比,分别平均减小了约20%和34.45%;液滴群平均粒径为150 μm时,液滴群散布程度最大,气液混合度最小,与液滴群平均粒径65 μm相比,气液混合度平均减小了约51.85%。

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综合能源系统

集成蒸汽引射器热电联产余热供热系统全工况性能分析

张尤俊, 戈志华, 庞敬帅, 徐磊, 杨志平, 杜小泽

2023, 43(3): 380-390. https://doi.org/10.19805/j.cnkij.cspe.2023.03.014

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为了提高工业余热的利用率,提出了增设蒸汽引射器的新型热电联产余热供热系统,通过抽汽引射部分低温乏汽以提质利用,并将其作为1级中间热源梯级加热热网水。基于蒸汽引射器能量匹配特性,以某350 MW余热供热机组为例,通过变工况计算确定蒸汽引射器的工作性能参数,完成梯级供热系统集成,在此基础上建立热力系统模型,并开展变工况热力学性能和适用性研究。结果表明:与案例系统相比,新型系统在设计供热工况下的乏汽利用率提升了12.15%,机组平均发电热效率提高了4.64%,平均供电煤耗率降低8.50 g/(kW·h),负荷调节灵活性提高,当供热负荷率为80%时,新型系统调峰容量比为27.26%,提高了5.78个百分点。

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