晃荡条件下超临界CO2基混合工质的紧凑式换热器流动传热机理及结构优化方法研究
批准号:
52106087
项目类别:
青年科学基金项目(C类)
资助金额:
30.0 万元
负责人:
张峰
依托单位:
学科分类:
传热传质学
结题年份:
2024
批准年份:
2021
项目状态:
已结题
项目参与者:
张峰
中文摘要
针对超临界CO2基混合工质改善超临界CO2布雷顿循环性能和适用范围的应用前景,以及紧凑式换热器作为循环关键部件在舰船或其他浮动式平台上的实际应用特点,开展晃荡条件下超临界CO2基混合工质在紧凑式换热器微细通道内的流动传热机理及结构优化方法研究。实验研究不同晃荡方式、晃荡参数和气热参数对微细通道内超临界CO2基混合工质传热和阻力特性的影响规律,建立多耦合因素下混合工质流动传热的理论模型。发展考虑工质热物性剧烈变化和晃荡运动影响修正的数值方法,揭示晃荡引起的离心力、切向力、科氏力等惯性力耦合工质强变物性对超临界CO2基混合工质流动传热性能及其脉动特性的影响机理。发展耦合微细通道单元和紧凑式换热器整体的多目标优化方法,并开展结构优化设计。为发展适用于复杂海况条件下的超临界CO2基混合工质紧凑式换热器,推动超临界CO2基混合工质布雷顿循环在舰船和其他浮动式平台上的工程化应用提供理论基础和技术支撑。
英文摘要
Based on the application prospect of the adoption of supercritical CO2-based mixtures for improving the system performance and operation range of the supercritical CO2 Brayton cycles, and the practical application characteristics of compact heat exchangers as key component of supercritical CO2 Brayton cycles applied on ships or other floating platforms, this project conducts investigations on the flow and heat transfer mechanism of supercritical CO2-based mixtures in the mini-channel of compact heat exchanger and its structure optimization method under the sloshing conditions. The effects of the sloshing forms, sloshing parameters and aerothermal parameters on the flow and heat transfer characteristics of the supercritical CO2-based mixtures in the mini-channel are experimentally investigated, and the theoretical models of flow and heat transfer of supercritical CO2-based mixtures under many parameters coupling effect are established. In addition, numerical methods accounting for the thermophysical property variations of the supercritical CO2-based mixtures and the influence of sloshing motions are developed. Besides, the influence mechanisms of the inertia forces induced by sloshing motions, including centrifugal force, tangential force as well as Coriolis force, coupling the thermophysical property variations of the supercritical CO2-based mixtures on the flow and heat transfer characteristics as well as pulsation characteristics of supercritical CO2-based mixtures are revealed. Furthermore, the multi-objective optimization methods coupling the mini-channel and the compact heat exchanger are developed, and the multi-objective optimizations on the compact heat exchanger structure are conducted. The presented research can provide basic theory and technical support for developing supercritical CO2-based mixtures compact heat exchangers employed in the complex sea conditions, and promoting the engineering application of the supercritical CO2-based mixtures Brayton cycle on ships and other floating platforms.
超临界CO2布雷顿循环因其设备尺寸小、结构紧凑,数量少,占用空间小,循环效率高等优点成为了舰船动力、船用发电、浮动式核电站等应用领域的理想循环方式,发展适用于复杂海况条件下的超临界CO2布雷顿循环,提高循环性能,对新一代舰船和海上电厂的发展具有重大价值和现实意义,也是推动航海动力升级和电力产业远洋布局的重要举措。紧凑式换热器是影响超临界CO2布雷顿循环性能的关键部件,研究复杂海况条件下超临界CO2的流动传热机理,发展适用于复杂海况条件下的超临界CO2紧凑式换热器,对推动超临界CO2布雷顿循环在舰船和其他浮动式平台上的工程化应用至关重要。本项目设计并搭建了晃荡条件下超临界CO2传热和阻力特性研究的实验平台;发展了晃荡运动影响下超临界CO2非定常流动传热特性研究的数学模型和数值方法,并验证了数值方法的可靠性;对比分析了稳态条件下和晃荡运动影响下微细通道内超临界CO2非定常二次流涡系结构的形成演变过程以及温度场和密度场等的时空演化特性;系统探究了超临界CO2气热参数(包括超临界CO2进口温度、运行压力、质量流量以及通道热流密度)和晃荡参数(包括晃荡幅度和晃荡周期)以及管道布置位置(包括管道高度和管道倾斜角度)对晃荡条件下超临界CO2传热和阻力特性的影响规律;揭示了晃荡运动引起的周期性变化的惯性力包括离心力、切向力和科氏力与密度不均匀引起的浮升力以及工质强变物性对超临界CO2非定常流动传热特性的影响机理;在此基础上进一步探究了晃荡运动影响下印刷电路板式预冷器中超临界CO2与冷却水的非定常流动和耦合传热特性,分析了超临界CO2进口温度、质量流量、晃荡幅度、晃荡周期、和晃荡高度对晃荡条件下印刷电路板式预冷器中超临界CO2耦合传热和阻力特性的影响规律;项目还对超临界CO2印刷电路板式换热器开展了多目标结构优化设计。本项目的研究成果能够为推动超临界CO2布雷顿循环在舰船和其他浮动式平台上的工程化应用提供理论基础和技术支撑。
复杂海况条件下超临界CO2与冷却水脉动流的非定常流动和耦合传热机理研究
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批准号:2023JJ30158
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项目类别:省市级项目
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资助金额:0.0万元
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批准年份:2023
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负责人:张峰
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依托单位:
透平转静盘腔冷气再入侵特性和非定常流热耦合机理研究
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批准号:2020JJ5078
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项目类别:省市级项目
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资助金额:0.0万元
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批准年份:2020
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负责人:张峰
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依托单位:
国内基金
海外基金