热力系统与动力装置节能研究

热力系统与动力装置节能研究涉及面广,既是一个传统问题,也涉及到新技术的发展;既有深入的理论问题,也涉及到设备设计加工、工程应用,应用领域涉及国防、交通、各类工业等。本研究方向所涉及的内容,是国际学术界长期研究的热点,包含着节能最新理论的研究和应用最新理论研究成果解决工业节能中的关键问题。由于我国在节能理论、应用领域都处于相对落后的地位,开展本方向的研究将对我国节能理论发展和产业调整进步具有重要意义。
      
该方向主要研究内容包括:
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热力系统基础热物理问题研究
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高效动力系统基础研究
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能源清洁利用与系统节能技术研究
      
近年来获得的主要研究成果有:
      
柴油机湍流燃烧过程的大涡模拟研究:首次将代表性互动小火焰(RIF)与LES模型耦合,用于研究柴油机的燃烧过程,为内燃机燃烧过程大涡模拟提供了一种新的途径。LES模拟得到的缸内燃烧场结构比雷诺平均模型得到的结果更准确,具有重现三维、瞬态、随机湍流燃烧场的能力。

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LES模型与RANS模型对比

内燃机动接触燃烧室部件传热、润滑、摩擦耦合研究:在传统的活塞环气缸套动压润滑模型的基础上,引入了润滑油膜的传热模型和粘温方程,并考虑了燃烧室燃气泄漏、表面粗糙度、油膜破裂位置以及气缸套圆周方向上的非轴对称性等影响因素,建立了活塞环气缸套非稳态热混合润滑摩擦数理模型。建立了活塞环气缸套间摩擦热的分配模型和分布模型,并将这两个模型同活塞环气缸套非稳态热混合润滑摩擦数理模型耦合起来,建立了活塞组气缸套传热润滑摩擦耦合数理模型,并开发了相应的数值软件。

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气缸盖-气缸套-气缸体耦合温度场

纳米流体传热传质特性基础研究:将不同浓度的SiO2-水纳米流体应用于波壁管中,通过管内沿程阻力实验、可视化实验、质量传递特性实验,发现纳米流体在不增加流动阻力系数的情况下,具有较基础流体更好的传质特性。利用非平衡分子动力学方法对铜-氩纳米流体和基础流体在两平板间的剪切流动进行模拟,结果发现固体壁面和纳米颗粒表面会形成一层排布更为规则的液体吸附层,具有类固特性,对纳米颗粒增加了其有效直径,吸附层大小与流体的运动速度无关。流动过程中纳米颗粒存在一定的旋转运动和强烈的无规则布朗运动,从而造成纳米颗粒周围流体的微小变动,影响整个流动区域的流动,对主流区将进一步加强其流动的湍流效果,对壁面边界层区域的流动,将破坏边界层分布,进而强化纳米流体与壁面之间的能量交换。

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纳米流体在波壁管中的流动可视化

两相流动中离散相动力学及热质传递研究: 提出非正交网格下滑移边界条件数值方法ADV和直接数值模拟方法解决了对气泡大变形模拟时的数值不稳定难题,得到了气泡在过热液体中上升长大的规律。克服以往计算精度低的缺点,分别完成了气泡在过热壁面上的长大和跃离以及上升现象以及温度场的演变模拟。发展Level set在贴体坐标系下追踪相界面的精确算法,研究了气泡在楔形流道内运动与变形规律,分析了气泡在楔形流道内上升过程的形态演变的特征以及竖直速度、水平速度、气泡纵横比以及气泡倾斜角等参数的变化规律,说明了气泡发生严重形变的主要因素。并开发了追踪复杂流道内气泡运动与热质传递等物理过程软件。搭建了利用高速摄影技术对楔形流道内气泡的上升过程实验观测平台,建立了一整套的试验研究方法和实验图形和数据处理方法。开发图像处理软件分析高速摄影获得的颗粒和气泡因热质传递体积变化的系列图像。从而获得热质传递律的实验数据,对气泡形态、运动轨迹以及其运动速度、加速度等物理量的变化规律进行了分析。当气泡在楔形流道内上升时,随着E贴体坐标系数的增大,气泡的变形更加明显。与之对应,气泡的速度、加速度和拽力系数也都有着相似的变化规律。随着E的增大,气数的增大,气泡的竖直速度、瞬时合速度、水平速度的摆动幅度以及气泡加速度的摆动幅度也都随之增大。通过实验和理论公式,还获得了气泡上升过程中拽力系数的变化规律,推导出了楔形流道内气泡上升过程的拽力系数公式。并利用此项技术和LBM现代数值计算方法分析了液滴撞击不同性质的固体表面的动力学和热学行为。

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气泡流过楔形流道时实验与模拟结果对比