检索结果-内蒙古大学图书馆

推进技术 2017年第8期38卷 1900-1906页

作者：谷增杰郭宁贾艳辉谢侃杨威冯杰孙运奎兰州空间技术物理研究所真空技术与物理国防科技重点实验室甘肃兰州730000 北京理工大学宇航学院北京100081

为了研究空心阴极结构尺寸和工况参数对放电性能的影响规律,基于发射体区和孔腔区等离子体参数均布假设,建立了一种不依赖试验和经验参数的适用于节流型空心阴极的分区均布数学模型。以LHC-5L空心阴极为算例,仿真结果与空心阴极试验结... 详细信息

为了研究空心阴极结构尺寸和工况参数对放电性能的影响规律,基于发射体区和孔腔区等离子体参数均布假设,建立了一种不依赖试验和经验参数的适用于节流型空心阴极的分区均布数学模型。以LHC-5L空心阴极为算例,仿真结果与空心阴极试验结果对比表明,当输入参数在一定范围之内,计算所得放电电压误差优于20%,发射体温度误差优于15%,放电电压等参数随放电电流、工质流率、关键结构尺寸的变化趋势与试验结果基本一致,证明该模型可以用于预测空心阴极放电性能,为空心阴极结构参数选择和设计优化提供依据。

关键词：电推进空心阴极放电特性建模仿真性能试验

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离散速度数值积分技术在Boltzmann模型方程统一算法应用研究

离散速度数值积分技术在Boltzmann模型方程统一算法应用研究

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中国力学大会（CCTAM 2019）

作者：胡文强李志辉北京航空航天大学国家计算流体力学实验室中国空气动力研究与发展中心超高速所

在可计算建模Boltzmann方程气体动理论统一算法(GKUA)研究应用过程中,需要通过一套与积分规则相一致的离散速度坐标点分布,代替原分布函数对积分变量的连续依赖性。一旦各个离散速度坐标点处的气体分子离散速度分布函数被数值求解,需要... 详细信息

在可计算建模Boltzmann方程气体动理论统一算法(GKUA)研究应用过程中,需要通过一套与积分规则相一致的离散速度坐标点分布,代替原分布函数对积分变量的连续依赖性。一旦各个离散速度坐标点处的气体分子离散速度分布函数被数值求解,需要通过离散速度数值积分,任一时刻物理空间各点的宏观流动量才能获得适时演化更新。为此,发展合适有效的离散速度数值积分方法在气体动理论统一算法框架中,是一个很重要的过程,必须同时保证拥有足够的计算精度和采用尽量少的离散速度坐标点,以减少对于计算机存储需求和达到加速计算的目的。本文首先讨论了各种类型离散速度数值积分方法,即:无限区间、非等距型,包括原始和改进型Gauss-Hermite积分方法;有限区间、等距型,包括复合Simpson和高阶复合Newton-Cotes积分方法;有限区间、非等距型,包括多子区间Gauss-Legendre和Gauss-Chebyshev积分方法。接着在此基础上,本文探讨了各种积分方法对不同马赫数流动状态的适应性和所需离散速度积分节点数等问题。研究结果发现对于低马赫数流动,推荐使用改进型Gauss-Hermite积分方法,而对于高马赫数复杂流动推荐使用Gauss-Chebyshev积分方法。结果在求解跨流域高超声速绕流问题气体动理论统一算法框架下得到成功应用与检验。

关键词： Boltzmann方程可计算建模离散速度坐标法气体动理论统一算法离散速度数值积分规则

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工业园区综合能源系统建模与停电状态优化调度策略

工业园区综合能源系统建模与停电状态优化调度策略

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作者：张义志北京交通大学

学位级别：博士

电、热、冷、气多能互补的综合能源系统的快速发展为实现“双碳”目标,提高能源系统整体能效提供了重要实践路径。工业园区作为重要的能源消费终端,综合能源系统的部署能够有效降低工业碳排放与经济运行成本,工业园区综合能源系统已成... 详细信息

电、热、冷、气多能互补的综合能源系统的快速发展为实现“双碳”目标,提高能源系统整体能效提供了重要实践路径。工业园区作为重要的能源消费终端,综合能源系统的部署能够有效降低工业碳排放与经济运行成本,工业园区综合能源系统已成为未来终端能源系统的重要发展方向。随着工业生产精密化、自动化发展,工业园区负荷与能源系统耦合逐渐加深,发生外部电网停电时园区将遭受巨额的经济损失。因此,如何利用本地综合能源系统为园区提供稳定的供能支撑并减少停电生产损失已成为现实的技术需求。然而,现有综合能源系统的建模优化并未关注生产系统与能源系统的耦合机制,对工业生产负荷的调度特性研究不足,同时目前广泛应用的园区级能量流模型中缺少能源网络约束,计算结果准确性不足,尚且缺乏适配工业园区特点的统一优化调度模型。另一方面,在计划停电与非计划停电发生时,工业园区能源系统中生产负荷调度、内部可再生能源出力波动、外部停电时间不确定性等影响因素也对现有调度策略提出了挑战。针对上述问题,本文展开了面向工业园区综合能源系统一体化模型与停电状态优化调度策略的研究,主要工作如下:(1)基于能量流的能源系统-生产系统一体化模型。当前综合能源系统建模关注供能侧,对工业园区中生产负荷的可调度性及其与能量系统的耦合特性鲜有研究。因此,本文提出了考虑生产流程约束的能源系统-生产系统一体化建模方法。首先结合能源系统建模的端口化表达方式与工业生产流程的实际物理约束,根据调度特性将生产流程划分为不同的可调度子任务,并建立调度视角下的工业生产流程数学模型;进一步打破源、荷建模边界,将生产流程的次序运行视为与电、热、冷相同维度的工业过程,以各生产子任务作为能量转换装置,建立了基于能量流的工业园区能源-生产一体化模型,协同调度能源系统与生产工序。通过典型动力电池生产园区算例验证了所建立模型的有效性,同时工业生产流程参与调度能够有效提高能源利用效率,降低生产成本。(2)包含网络约束的园区综合能源系统拓展能量枢纽模型。目前广泛应用于园区级系统的能量枢纽(Energy Hub,EH)模型中并未考虑网络约束,缺少统一能量流模型与网络模型的建模方法。因此,本文提出一种适用于园区级系统的包含网络约束的拓展EH建模方法。首先结合园区网络负荷密集、多点电源支撑的运行特征,建立了供热系统能流模型与园区多源配电网线性潮流模型;结合设备端口化模型的结构特点分别对网络模型进行降阶,建立了不包含内部能流变量的能源网络端口化模型,能够直接描述输出功率与输入能源设备运行状态的线性方程;将端口化的网络模型引入功率流模型中,建立了包含网络约束的园区综合能源系统拓展EH模型,保证线性模型的求解结果满足网络传输损耗与安全约束,并通过算例分析分别验证了所提两种端口化模型与拓展EH模型在能流计算与优化问题中具有较好的精确性与效率优势。(3)计划停电状态下计及调度灵活性的两阶段鲁棒优化调度。计划停电场景下,结合停电发生时刻与持续时间的可预知性,需要新的调度策略发挥工业园区能源系统的可调度潜力,降低停电损失。因此,本文结合工业园区内部可调节能力,提出了一种涵盖并网预调度与停电独立调度的两阶段鲁棒优化调度策略。首先对供热系统动态特性进行建模,管网传输延时特性建模为稳态模型的附加项与补充时序约束,温控负荷与生产负荷则共同提供了系统的可调度灵活性;以最小停电损失为目标,建立了包含并网预调度与停电独立调度的两阶段调度框架,通过预调度为停电场景提供更多的自有能源;为应对停电后小容量系统中可再生能源出力不确定性的影响,提出了基于鲁棒模型预测控制的两阶段鲁棒优化模型,在计及不确定性影响的同时降低了传统鲁棒模型的经济保守性,并采用列与约束生成方法对两阶段模型进行求解。算例验证了所提方法能够发挥系统的调度灵活性,应对不确定性影响,降低计划停电状态下工业园区的停电损失。(4)考虑停电时长不确定性的非计划停电多时段随机鲁棒优化调度策略。外部停电时长不确定性导致现有调度模型无法设计统一的调度时间窗,同时与内部可再生能源出力不确定性共同作用于系统调度策略。因此,本文综合考虑内外部异质不确定性因素,提出了一种考虑停电时长不确定性的多时段调度策略。首先,对停电时长不确定性进行建模分析,以概率分布与场景法描述外部不确定性,以波动区间描述内部可再生能源出力不确定性;以工业园区停电损失的各类成本最小为目标,通过设计具有不同调度时间的停电场景,提出了基于场景法的多时段随机鲁棒调度框架;每个时段内,通过Benders分解法对模型进行求解并执行第一时段调度指令,下一时段根据上一时段运行状态与更新后的停电时长场景及概率再次求解,最终获得完整停电期间的调度决策,通过算例验证了所提方法能够应对停电时长未知带来的不确定性问题,实现最低的期望停电损失。

关键词：工业园区综合能源系统能量枢纽鲁棒与随机优化停电时长

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基于X射线断层扫描预测岩石单轴抗压强度

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岩石力学与工程学报 2019年第S02期38卷 3575-3582页

作者：孙欢刘晓丽王恩志张东清华大学水沙科学与水利水电工程国家重点实验室北京100084 西安科技大学能源学院陕西西安710054

岩石单轴抗压强度是地下工程岩体开挖及稳定性分析的重要物理参数,准确快速确定岩石强度对指导工程岩体高效开挖具有现实性和必要性。考虑如何采用X射线断层扫描技术获得岩石单轴抗压强度,开展5组泥岩样的CT断层扫描,识别和提取CT序列... 详细信息

岩石单轴抗压强度是地下工程岩体开挖及稳定性分析的重要物理参数,准确快速确定岩石强度对指导工程岩体高效开挖具有现实性和必要性。考虑如何采用X射线断层扫描技术获得岩石单轴抗压强度,开展5组泥岩样的CT断层扫描,识别和提取CT序列图像中岩石不同密度物质的体数据特征,建立特征区域CT累加值和峰值强度的量化关系,提出基于X射线CT图像预测岩石单轴抗压强度的数学方法。研究表明:泥岩基质成分的CT累加值范围为1760~2560 HU,强度占比为0.94~0.96;岩石基质成分的CT累加值与峰值应力(σc)呈二阶函数关系;CT图像预测岩石强度的核心关键在于提取序列图像中特征区域的CT累加值,可进一步反演计算得出相应的峰值应力;成分单一、均质性和完整性较好的岩石试件,CT图像预测强度可获得相对较为精确的结果。

关键词：岩石力学 X射线断层扫描 CT累加值单轴抗压强度岩石基质 CT序列图像

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基于内嵌物理知识神经网络的多孔材料输运特性预测

基于内嵌物理知识神经网络的多孔材料输运特性预测

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第十三届全国流体力学学术会议

作者：张起鸣郭京辉林贵平田宇豪北京航空航天大学航空科学与工程学院杭州市北京航空航天大学国际创新研究院

碳纤维增强多孔材料在高超声速飞行器热防护系统中具有广泛应用,研究真实飞行条件下材料内部的流动输运特性对于热防护系统的精细化设计具有重要意义。渗透率是描述多孔材料输运特性的重要指标,一般通过大量实验数据或数值计算拟合得到... 详细信息

碳纤维增强多孔材料在高超声速飞行器热防护系统中具有广泛应用,研究真实飞行条件下材料内部的流动输运特性对于热防护系统的精细化设计具有重要意义。渗透率是描述多孔材料输运特性的重要指标,一般通过大量实验数据或数值计算拟合得到的经验公式进行预测,两种方式均需要花费大量时间和资源。因此,本文建立了以多孔微结构的三维灰度图像和多孔介质的最大流(maximum flow value)作为输入的基于内嵌物理知识的神经网络模型(PINN),对其渗透率进行预测。首先,通过介观层面的高保真度多孔微结构几何生成算法建立不同结构参数的三维多孔结构模型。其次,基于微观粒子模拟方法进行数值计算求解多孔结构的渗透率,获得考虑高超飞行器飞行环境气体效应的渗透率表达式。最后,将多孔结构的灰度值矩阵及其渗透率结果分别作为神经网络的输入与输出,同时引入多孔微结构的最大流作为补充的物理信息,构建多孔结构输运特性的预测模型,并通过对未经训练的多孔结构渗透率进行预测以验证模型精度。验证结果表明,建立的卷积神经网络能够对多孔结构的渗透率进行有效预测,其预测误差在15%以内。

关键词：多孔微结构高超声速热防护输运特性预测卷积神经网络物理知识

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超导强磁场下螺旋式电磁泵多物理场仿真

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低温与超导 2018年第9期46卷 10-14,38页

作者：任建波戴银明王秋良刘建华王磊中国科学院电工研究所应用超导重点实验室北京100190 中国科学院大学北京100049

针对超导强磁场下螺旋式电磁泵中的压力场、电场、流速场等多物理场进行了仿真分析。建立了螺旋式电磁泵的三维数学分析模型,在固定强磁场和工作电压下采用有限元法对模型进行剖分和求解,得到了螺旋式电磁泵稳态流体中的压力、电场、流... 详细信息

针对超导强磁场下螺旋式电磁泵中的压力场、电场、流速场等多物理场进行了仿真分析。建立了螺旋式电磁泵的三维数学分析模型,在固定强磁场和工作电压下采用有限元法对模型进行剖分和求解,得到了螺旋式电磁泵稳态流体中的压力、电场、流速和电磁力密度的空间分布,分析了强磁场螺旋电磁泵通道物理场的分布规律。

关键词：超导磁体电磁泵有限元法多物理场

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基于RFID的移动目标监控关键技术研究

基于RFID的移动目标监控关键技术研究

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作者：王思叶北京交通大学

学位级别：博士

在信息社会中,可以便携的载体发挥了重要作用。但便携的信息存储、传输、交换途径也为窃密、泄密等不法行为带来便利,经由载体及其持有人在流转过程中带来的信息安全问题逐渐突显,已经成为信息安全研究的重点。射频识别(RFID)具备感知... 详细信息

在信息社会中,可以便携的载体发挥了重要作用。但便携的信息存储、传输、交换途径也为窃密、泄密等不法行为带来便利,经由载体及其持有人在流转过程中带来的信息安全问题逐渐突显,已经成为信息安全研究的重点。射频识别(RFID)具备感知物理空间的能力。结合RFID技术,远程感知载体移动流转过程、自动分析载体异常成为可能。因此,以载体为监控目标,研究基于RFID的移动目标监控关键技术,通过多源感知手段获取载体在物理空间的位置、数量、状态等,分析载体在监控场所中的行为,准确定位载体的位置,降低经由载体带来的安全隐患,提高载体安全特别是流转过程中的载体安全水平,势在必行。由于需要监控的移动目标物理形态及使用方法各不相同,使得监控的场景复杂多变,数据与目标行为的对应关系不尽相同,多场景下移动目标监控的准确性与实时性、移动目标的定位精度受到较大影响。同时,监控技术自身也面临空口安全风险,为监控场景引入更多的不确定性。基于上述问题,本文的研究目的是基于RFID技术,提出基于时空关系的异常事件检测方法,针对重要目标的定位需求提出兼顾实时性与定位精度的室内定位算法,研究基于轻量级密码算法的RFID空口安全机制。本文完成的工作和创新点主要包括:(1)基于时空关联的异常事件检测研究:针对门禁场景下监控数据存在冗余问题,分析门禁监控数据的内在时空关联,提出了基于Bloom Filter冗余过滤算法的改进算法Time-Distance Bloom Filter(TDBF)以及数据过滤效率的评价方法,并通过实验在静态、动态、不规则运动场景下对TDBF、Time Bloom Filter(TBF)、Bloom Filter(BF)等三种冗余过滤算法进行评价。实验结果表明,TDBF算法的性能显著高于TBF和BF,可以保持低误报率、低漏报率和更高的数据压缩率之间的平衡,实现冗余数据的有效、准确过滤。针对室内移动目标路径分析的问题,对基于RFID的监控数据进行时空聚类分析,提出了一种基于AGNES的改进算法Improved-AGNES,该方法改进了算法权重,通过二次聚类引入了方向向量,能够有效提取出多路径场所中移动目标频繁使用的关键路径,降低了监控数据分析的难度,提高了分析的实时性和有效性。(2)室内定位算法技术研究:针对监控场景中室内RFID受遮挡物干扰影响移动目标定位精度的问题,提出了一种差分定位算法,该算法通过对相邻接收天线之间RFID信号进行差分运算,降低了RFID信号中的环境干扰,并在保证监控所需定位精度的同时,降低了计算复杂度,兼顾实时性与实用性。该算法在两个应用场景中的实验结果表明,在室内环境下,算法的均方根误差小于0.62m,相同测试条件下,低于测距算法Spot ON(2.67m)和LANDMARC定位算法(1.61m),且误差偏差较小。(3)空口安全风险研究:分析了监控常用技术RFID在系统应用中面临的安全风险,提出了一种基于trivium的改进算法,分析和实验结果表明,Trivium改进算法实现消耗为0.66μA。所需的硬件复杂度估计为2876等效门电路,低于AES(3μA、3400等效门电路)和Trivium(0.68μA、3488等效门电路),算法占用的资源更少,适用于RFID系统使用。

关键词：移动目标监控异常行为检测室内定位空口安全射频识别

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Wilhelmy吊片法测定磷脂溶液的表面张力等温线

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大学化学 2023年第1期38卷 155-160页

作者：李远非杨训方王桂玲郭莹王煦李馨儒周艳霞谢英北京大学药学院北京100191

表面活性物质的表面张力等温线测定是大学物理化学实验的重要内容。随着磷脂类表面活性剂的广泛应用,有必要在大学化学中更新经典表面张力等温线测定的实验内容,并使学生掌握先进的测量方法。以二硬脂酰基磷脂酰胆碱(DSPC)和二棕榈酰基... 详细信息

表面活性物质的表面张力等温线测定是大学物理化学实验的重要内容。随着磷脂类表面活性剂的广泛应用,有必要在大学化学中更新经典表面张力等温线测定的实验内容,并使学生掌握先进的测量方法。以二硬脂酰基磷脂酰胆碱(DSPC)和二棕榈酰基磷脂酰胆碱(DPPC)为研究对象,应用界面张力仪测定了两种溶液表面张力等温线,计算了其表面超量和分子横截面积,并设计了拓展性实验内容,对于培养学生分析问题和解决问题的能力具有积极的意义。

关键词：磷脂表面张力等温线实验教学

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串—并混联型经股骨假肢机构设计与性能分析

串—并混联型经股骨假肢机构设计与性能分析

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作者：宋马军北京交通大学

学位级别：博士

经股骨假肢机构是截肢患者恢复因截肢失去膝踝关节运动能力的辅助设备,为截肢患者进行自主性运动提供保障。国内对于经股骨假肢机构的研究较少,现有的膝踝假肢结构简单且运动功能单一,截肢患者长时间穿戴会造成不对称步态和残肢骨骼肌... 详细信息

经股骨假肢机构是截肢患者恢复因截肢失去膝踝关节运动能力的辅助设备,为截肢患者进行自主性运动提供保障。国内对于经股骨假肢机构的研究较少,现有的膝踝假肢结构简单且运动功能单一,截肢患者长时间穿戴会造成不对称步态和残肢骨骼肌的二次伤害。国内假肢技术起步较晚,假肢技术水平的限制导致现有的膝踝假肢机构难以满足经股骨截肢患者对运动功能多样性的需求。如何提出具有运动功能多样化与对复杂路况自适应能力的假肢机构设计方法,以及实现其运动时能耗节约的目标,是假肢机构结构设计层面亟待解决的问题。此外,截肢患者与假肢机构融合后,如何评估人机交互过程中两者之间的兼容性,以及通过人体机能预测进行假肢机构的结构优化设计,是人机系统层面的重要问题。本文研究将恢复经股骨截肢患者失去的膝、踝关节自主运动能力作为设计目标。结合并联机构具有结构简单、承载性能强与多自由度等优点,提出一类具有拟人关节运动特性的并联机构的构型,形成一种构型新颖且具有机械式自适应能力的经股骨假肢机构设计方法。通过人体动力学仿真分析验证经股骨假肢机构结构设计的可行性和建模方法的正确性,探索人机交互时假肢机构对人体生理机能的影响,以人为本的前提下优化经股骨假肢机构的结构设计。基于三闭环PI的有限状态机控制系统在经股骨假肢机构应用进行研究。研究成果为多运动功能与自主适应能力的经股骨假肢机构设计提供可行方案,有利于促进便捷式可穿戴的经股骨假肢机构乃至医疗康复机构的发展。具体研究内容包括:多运动功能的经股骨假肢机构构型设计。基于步态实验测试平台完成健康受试者下肢关节运动和足底压力信号的采集与分析,以无球副并联机构作为支撑载体,提出串-并混联型的经股骨假肢机构设计方法,用以模仿膝踝关节多自由度运动特性。同时,串-并混联构型的设计可将踝足假肢机构脱离并应用于经胫骨截肢患者,使经股骨假肢机构面向多种截肢人群的应用。仿生能量装置与自适应模块的设计。基于人体下肢运动机理与骨骼能量产出的映射关系,开发符合膝关节步态节律的可穿戴能量离合器装置和基于多连杆机构的踝关节能量装置,实现经股骨假肢机构的连续性能量储存-释放,降低假肢工作的能耗并提高其自主柔顺性和抗冲击能力。机械自适应装置设计用以提升假肢对外部环境的自适应能力,实现人机模型运动过程中的相互协调,加强步行稳定效果。人机建模与交互分析。为探索经股骨假肢对截肢患者的健康状况影响,提出基于步态驱动的人机建模方法。与现有模型不同之处在于,该模型考虑骨骼肌、地面反力和能量消耗的相对贡献,更全面准确地探索模型在步行时人体生理指标,包括人体肌肉力、肌肉活度与新陈代谢,以及经股骨假肢机构的关节力矩与功率需求。以经济型人体代谢消耗为优化目标,建立关于下肢肌肉募集方法与假肢机构关节空间位置的优化数学模型,消除人机建模的关节位置误差,实现人体代谢消耗最小化情况下的假肢机构结构层面的改进设计。多运动功能的髋部步态模拟器平台搭建。为了解决未能找到合适经股骨截肢患者的难题,设计多运动功能的步态模拟装置,实现髋关节多自由度运动特性,模仿人体前行过程中的人体髋关节屈伸与内外翻运动。基于螺旋理论综合一类基于高刚度多自由度的髋部并联机构,运动学与动力学结果验证该并联机构可作为髋部模拟器,髋关节的屈伸与内外展运动模式可提供多样性的样机功能验证。控制系统设计与样机步行功能验证。设计基于三闭环PI的有限状态机控制系统,对经股骨假肢机构在支撑阶段的动力输出与步态周期内的关节位置控制进行追踪,仿真结果验证了理论计算的正确性,及应用于经股骨假肢机构的控制系统可行性。搭建经股骨假肢机构样机平台并制定控制系统设计方案,基于步态模拟器完成样机的多运动模式的功能验证,实验结果表明该样机的假膝与假踝关节能满足预期的多运动功能设计需求。

关键词：经股骨假肢机构人体生物力学并联机构机械自适应性人机建模新陈代谢

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非饱和沙土内部耦合传输作用下螺旋地埋管换热器热力性能研究

非饱和沙土内部耦合传输作用下螺旋地埋管换热器热力性能研究

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作者：梁缤北京交通大学

学位级别：博士

地热能作为一种储量巨大并且环保稳定的可再生能源,近年来得到了广泛的发展。目前,浅层地热能制冷或供暖技术已基本成熟,主要利用热泵技术向浅层土壤释放或获取能量,进而实现建筑物的制冷或供暖,推动实现“碳达峰、碳中和”的目标。地... 详细信息

地热能作为一种储量巨大并且环保稳定的可再生能源,近年来得到了广泛的发展。目前,浅层地热能制冷或供暖技术已基本成熟,主要利用热泵技术向浅层土壤释放或获取能量,进而实现建筑物的制冷或供暖,推动实现“碳达峰、碳中和”的目标。地埋管换热器是地源热泵系统的关键设备之一。因为换热器周围回填材料的热阻主导着整个传热过程,因此回填材料导热系数是影响地埋管换热性能的关键因素。由于土壤或沙子属于多孔介质,水分迁移不仅影响回填材料导热系数,也会导致埋管与回填材料之间的间隙增大,从而影响换热器换热能力。本文基于实验、数值模拟及理论分析方法对沙土热湿迁移机理及非饱和沙土内部耦合传输机制作用下螺旋地埋管换热器热力性能开展研究工作。通过实验研究获得高岭土、石墨添加物对沙土导热性能和水分扩散系数的影响规律,并对一米长沙土内部热湿迁移特性进行实验研究。研究结果表明,质量含湿率在0%～20%区间时,原沙、沙/高岭土混合物（高岭土添加率:5 wt%）和沙/高岭土/石墨混合物（高岭土和石墨添加率均为5 wt%）的导热系数范围分别是0.275～1.709、0.307～1.762和0.386～2.034 W/（m?K）,即添加高岭土后沙土的导热系数增大了13.1%;继续添加石墨后,沙/高岭土混合物的导热系数进一步增大了13.3%。相比于原沙,沙/高岭土混合物和沙/高岭土/石墨混合物中平均热迁移程度分别增大23.9%和48.2%。沙/高岭土混合物的平均水分扩散系数和水分迁移程度相比原沙分别降低了68%和42.4%。因此,添加适当比例高岭土和石墨可以显著改善沙土的热扩散性能,并且高岭土能提高沙土的保水性能。采用接触式滤纸法和常水头渗透法获得高岭土添加物对沙土基质吸力和水力传导系数的影响规律,并基于非平衡热力学理论,综合考虑回填材料的热物性和土水特性参数,构建非饱和沙土热湿耦合传输模型。通过数值模拟研究高岭土、初始含湿率和热源温度等对沙土内部热湿耦合迁移特性的影响机制。结果表明,原沙和沙/高岭土混合物的基质吸力范围分别为0.30～26.67 m和0.32～59.71 m。添加高岭土后沙基材料的饱和水力传导系数降低了约64%。7天内,混合物的热扩散范围相比于原沙增大了3%,而湿分扩散范围仅为原沙的2/5。混合物一周内的热扩散和湿分扩散范围分别是一天内的2.7倍和2.6倍。模拟计算结果进一步表明高岭土的加入不仅仅能明显改善沙土的保水性能,同时提高了沙土的热扩散性能。基于自行设计搭建的螺旋地埋管换热器实验系统,研究高岭土、雷诺数和运行模式对螺旋地埋管换热器热力性能的影响规律。在沙/高岭土混合物中地埋管内对流换热系数为370～678 W/（m2·K）,比原沙的高6.9%。此外,混合物中的换热器的效能也高于原沙。与开启6小时后相比,关闭18小时后原沙的回填和周围土壤区域的平均温度恢复率增加了约18～25%,而混合物的回填和周围土壤区域的平均温度恢复率增加了约36～42%;并获得了研究条件下螺旋地埋管换热器的换热准则关联式。构建基于非饱和沙土热湿耦合传输机制作用下地埋管换热器数学模型,通过数值模拟研究雷诺数（3000～10000）、入口温度（30～37?C）、初始体积含湿率（6.95%～20.85%）、高岭土、螺旋直径（0.4～0.8 m）、螺距（0.1～0.8 m）和运行模式等对螺旋地埋管换热器在一周运行期间热力特性的影响规律。结果表明,如果不考虑非饱和沙土中湿分迁移,低含湿率沙土中换热器的换热性能在长期运行后可能会被高估。即使沙/高岭土混合物中换热器换热量较大,沙/高岭土混合物区域的平均含湿率仍与原沙的相同,这再次证明了高岭土添加剂可以提高沙土的保水能力。当螺旋直径从0.4米扩大到0.8米或螺距从0.8米缩小到0.1米时,换热器的换热量分别提高了16%～28%和15%～27%,而压降分别提高了50%～92%和371%～502%。与连续运行相比,三种间歇运行（开启12小时/关闭12小时、开启6小时/关闭6小时和开启3小时/关闭3小时）的单位运行时间内的换热量分别提高了25.2%、26.7%和28.1%。与连续运行模式相比,3种间歇运行模式下回填区域的平均温度均降低了大约10%,而含湿率变化率分别降低了3.3%、13.3%和20%。间歇运行既可以减缓沙土温度的波动,也可减弱水分迁移能力,高的启停频次可能更有助于实现热湿迁移机制的有效控制。本文研究结果对于进一步认识多孔介质热湿耦合传输机制提供理论依据,并为土壤源热泵系统性能优化设计和应用给出关键性支撑。

关键词：高岭土螺旋地埋管换热器非平衡热力学热湿耦合传输换热器效能温度恢复能力

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