2023年, 第51卷, 第7期　
刊出日期：2023-07-30

  

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试验研究
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  石墨烯板翅式全热换热器性能试验研究

  陈剑波, 洪诗颖, 韩昆宏

  流体机械. 2023, 51(7): 1-8. https://doi.org/10.3969/j.issn.1005-0329.2023.07.001

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  针对空调系统运行时存在新风能耗大的问题，对小型热回收新风机组用石墨烯板翅式全热换热器性能进行了试验研究。搭建了全热回收新风机组试验平台，以层高为2.0 mm的石墨烯芯体为试验研究主体，常规高效的瓦楞纸芯体和层高为3.0 mm的石墨烯芯体为试验对照组，进行了冬、夏季标准工况下不同迎面风速下热湿交换效率和阻力试验研究，并对石墨烯芯体进行了室外新风干球温度和相对湿度变化对热湿交换效率影响的试验研究。结果表明，石墨烯芯体单位风量和面积下全热换热量比瓦楞纸芯体高50%，并且瓦楞纸芯体的流道摩擦系数要比石墨烯芯体大21.5%；在环境温湿度提高时，夏季工况下，石墨烯芯体的温湿度效率分别提高了4.1%和6.7%，冬季工况下，湿度效率提高了8.9%。综上所述，相同的热回收新风机组尺寸和风量情况下，采用石墨烯芯体替代目前高效的瓦楞纸芯体，风机运行能耗更低，风量调节性能更好，有更为突出的热湿交换性能。
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  R1234yf电动汽车空调系统制冷性能的试验研究

  陈小砖, 孟雪峰, 王攀, 张蓓乐, 刘秀芳

  流体机械. 2023, 51(7): 9-16. https://doi.org/10.3969/j.issn.1005-0329.2023.07.002

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  为了实现汽车空调环保制冷剂要求，选用低全球变暖潜能值（GWP）制冷剂R1234yf，研究了环境温度对R1234yf空调系统制冷性能的影响，并在不同电子膨胀阀（EXV）开度和压缩机转速下对比了R1234yf系统和R134a系统的制冷性能。结果表明：当环境温度从27℃升至43℃，R1234yf系统排气温度升高18℃，功耗增大36.6%，制冷量和COP分别降低13.9%和55.7%；随着电子膨胀阀开度的增加，吸气过热度降低，制冷量和COP先增大后减小，各个转速下均存在一个最佳开度对应制冷性能最优；随着压缩机转速提高，排气温度升高，制冷量增大，但COP降低。当汽车空调系统中采用R1234yf制冷剂直接替代R134a时，虽然R1234yf系统的制冷量和COP比R134a系统分别平均降低4.5%和14.9%，但排气温度比R134a系统平均低5.2℃。该研究结果可为电动汽车空调系统制冷剂的替代研究提供参考。
设计计算
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  气液两相射流搅拌流场分析及工艺参数影响规律研究

  李双喜, 宋子锋, 杨兴, 芦建平, 黄承尧

  流体机械. 2023, 51(7): 17-23,52. https://doi.org/10.3969/j.issn.1005-0329.2023.07.003

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  针对射流搅拌系统搅拌效果与工艺参数关系尚不明确的问题，基于VOF两相流模型及SST k-omega湍流模型，建立了三维瞬态模型。引用死区比率、液相速度均方根、自由液面液相体积分数均方根为表征液相搅拌效果及破壳效果的特征参数；搭建原理性试验装置，验证了数值模拟结果的准确性。结果表明，由于喷嘴距离自由液面较近，流场波动，罐内产生负压区导致罐体安全问题，建议喷嘴远离自由液面；结合搅拌效果及工程成本，当入口速度V_in=20 m/s时，搅拌收益率最高；含气比与搅拌效果呈负相关，与破壳效果呈正相关，含气比a=0.621为较优含气比。通过对三维瞬态流场模拟，分析流场流动特点，得到了工艺参数对搅拌效果的影响规律，进一步指导工艺参数选择。
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  高转速小流量离心叶轮流场对背压脉动的响应分析

  肖军, 刘晓明, 李奉誉

  流体机械. 2023, 51(7): 24-31. https://doi.org/10.3969/j.issn.1005-0329.2023.07.004

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  为了研究离心叶轮流场对出口背压脉动的响应特性，自行开发了基于多块结构化网格的流场分析程序。对某燃料电池离心压缩机叶轮展开背压脉动下流场响应的算例考核，计算的性能曲线与商业软件结果吻合较好，并以该叶轮为研究对象，采用数值模拟计算其内流场对下游背压脉动的响应特性。结果表明：背压脉动参数决定了流场响应的同步性和流场参数的分布特征。流场参数的波动随背压脉动幅度的增加而增大，且相对脉动幅度均超过背压脉动；流场参数的波动随背压脉动频率的增加而显著增大，且流场变化的同步性随脉动频率的增加而降低，不同背压脉动频率下极限环的形态呈显著差异，3倍频脉动条件下不同时刻的叶表压力分布呈显著差异，且加载特性发生变化。
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  一种新型导叶式油水分离水力旋流器

  舒朝晖, 王畅, 袁友为, 冯庆伟, 杨帆, 张德崇

  流体机械. 2023, 51(7): 32-38,59. https://doi.org/10.3969/j.issn.1005-0329.2023.07.005

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  针对传统切向水力旋流器不适用于狭长空间（如井下油水分离）的问题，根据某油田含油污水的物性参数，设计了一种新型导叶式油水分离水力旋流器，研究了旋流器的压力场、速度场、湍动能及油相体积浓度分布特点，并分析其分离性能。结果表明，该导叶式水力旋流器具有稳定的离心力场，油水两相分离过程主要发生在大锥段，小锥段也有分离过程的发生，而直管段则主要起着稳定流场的作用；设计的旋流器在某油田现场具体条件下，当入口流量为5 m³/h时，压降低至0.35 MPa，而分离效率高达80.51%。
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  热-机耦合作用下压缩机气缸形变效应评价

  李琴, 王硕, 王智勇, 李涛, 母德全, 王杰

  流体机械. 2023, 51(7): 39-45. https://doi.org/10.3969/j.issn.1005-0329.2023.07.006

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  针对DTY500型往复式页岩气压缩机因自然冷却式气缸内外温差大、压力高而产生变形的问题，建立了自然冷却式压缩机气缸热-机耦合共轭传热模型，基于有限元法开展了气缸内温度场与热-机耦合下的气缸变形研究，掌握了压缩机气缸整体温度场特性与变形量的分布特征，对比分析了气缸轴向与周向的温度与变形规律，建立了以圆度差值和径向平均变形量作为工作腔变形评价指标，在此基础上，开展了气缸温度测试试验，气缸表面温度测点平均误差为4.29%。结果表明：最高温度为104.78℃出现在工作腔与排气腔之间的内壁区域，其中周向温度差异为10.35℃和轴向温度差异为6.87℃，导致气缸最大圆度差值为0.249 mm，致使活塞拉缸。研究结果对提高活塞工作寿命和保障页岩气压缩机安全稳定运行具有重要意义。
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  型线偏置对涡旋压缩机动盘尺寸和动力学特性的影响

  程军明, 王澈, 张帅, 赵子博, 吴建华

  流体机械. 2023, 51(7): 46-52. https://doi.org/10.3969/j.issn.1005-0329.2023.07.007

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  为了分析涡旋型线偏置对动盘尺寸和动力学特性的影响，建立了压缩机几何、热力学和动力学模型，对使用不对称代数螺线型线的涡旋压缩机进行了研究，并通过试验测量的背压和流量对模型的有效性进行了验证。结果表明，动盘的自转力矩在一周内正负交替变化，对型线进行偏置后，可以将反自转力矩增加到-0.61 N·m，但是此时动盘尺寸将增大1 mm；以最小动盘尺寸为目标对型线偏置进行优化，动盘半径可以减少约3.5 mm，其重量能减少6.1%，静盘和壳体的尺寸也能相应得到减少，动盘所受的自转力矩幅值将大幅增加，十字滑环最大受力将会增加到原型线的约3倍；由于动盘尺寸减小，轴向气体力、背压力和推力轴承推力都会降低，需要对背压孔位置进行调整以防动盘出现倾覆；对型线进行偏置可减少涡旋压缩机尺寸，但需要注意动盘受力变化。研究成果为涡旋压缩机型线设计、动力学分析提供了指导。
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  柱锥式气液旋流器的数值模拟和试验验证

  杨蕊, 肖迎松, 张磊, 朱宝锦, 吕超, 赵盎

  流体机械. 2023, 51(7): 53-59. https://doi.org/10.3969/j.issn.1005-0329.2023.07.008

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  为了研究柱锥式气液旋流分离器的适用性，采用计算流体动力学和高速摄像试验方法探究柱锥式气液旋流器的流场特性，分析了影响气液旋流分离器分离性能的因素。研究表明，随着入口速度的升高，轴向位置上的压力差在30%含气率时提升700 Pa，对溢流管及附近位置气相体积分数和气泡粒径尺寸影响较小，入口速度的升高减弱了GCU现象。含气率升高减弱LCO现象但GCU现象更加明显，使气核的粒径大小降低，气核的聚集性变差，并显著增加了底锥附近的气泡粒径。在入口速度不变的条件下适当减小含气率可以减弱GCU现象，提高柱锥式旋流分离器的分离性能。
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  叶根圆弧对航空燃油离心泵空化性能的影响

  帅泽豪, 王凯, 罗光钊, 王玥, 刘厚林, 张岭

  流体机械. 2023, 51(7): 60-67. https://doi.org/10.3969/j.issn.1005-0329.2023.07.009

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  针对某航空燃油离心泵在运行过程中由于空化导致叶片根部发生空蚀破坏的问题，设计了一种叶根圆弧结构形式，研究了其在不同空化数下的空泡分布特性和空泡的非定常变化规律，并分析了燃油泵叶轮流道和隔舌位置的压力脉动特性。研究表明：在0.8Q_d，1.0Q_d，1.2Q_d流量工况下，燃油泵临界空化数分别比原方案减小了4.4%，6.0%，1.8%；在相同空化数下，改进方案叶片表面压力载荷有所下降，其中在1.2Q_d流量工况下，低压区占比最多下降7%；改进方案叶片根部空泡体积也有所减小，在1.2Q_d流量工况下，空泡减少量最多可达51%；；燃油泵内部多数监测点的压力脉动幅值下降较大，最高可达38.35%。研究结果显示了叶根圆弧结构可以显著提升燃油泵的空化性能，为高性能燃油泵的优化设计提供了一定的借鉴。
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  基于熵产理论和响应面法的轴流式止回阀结构优化设计

  李金铭, 邹淑云, 刘忠, 喻哲钦, 李志鹏, 邵建农

  流体机械. 2023, 51(7): 68-75,98. https://doi.org/10.3969/j.issn.1005-0329.2023.07.010

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  为了优化轴流式止回阀结构，从而提高其流通性能，提出了一种基于熵产理论结合响应面法的轴流式止回阀结构优化设计方法，并对DN100轴流式止回阀进行了优化设计和分析。以最小熵产为目标，采用Plackett-Burman试验、最陡爬坡试验和Box-Behnken响应面试验得到最优结构参数，并对优化前后轴流式止回阀进行熵产和流场分析。结果表明：最优结构参数为入口角33.4 °、阀瓣宽24.4 mm和阀芯尾角25.0 °，响应面法预测准确且优化效果显著。湍流耗散熵产是造成轴流式止回阀能耗较大的主要原因，其主要发生在喉口后端和阀瓣边缘附近，优化后其数值大小和分布范围明显减小。优化前轴流式止回阀喉口后端、阀瓣边缘处和阀芯尾部存在较多漩涡，优化后漩涡显著减少，阀芯上分离点明显后移，流通性能更好。本研究为轴流式止回阀结构优化设计提供了新思路。
应用技术
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  三维变形管内降膜蒸发特性

  陈杭生, 朱冬生, 陈二雄, 林成迪, 胡广涛

  流体机械. 2023, 51(7): 76-82. https://doi.org/10.3969/j.issn.1005-0329.2023.07.011

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  为了提高降膜蒸发器的传热性能，将三维变形管用于MVR降膜蒸发器中，利用FLUENT软件探究了管内液膜的分布特点，分析了长、短轴比对三维变形管的传热性能的影响。结果表明：相比圆管，三维变形管内液膜的厚度会逐渐减小，流体速度场与温度场的协同性相对来说也更好；随着长、短轴比的增大，三维变形管内液膜的厚度会逐渐减小，液膜速度更为缓慢，而且进一步提高了速度场与温度场的协同性，还增强了液膜的扰动性，最终努塞尔数从0.249提高到0.276。将三维变形管应用于MVR蒸发器中，具有良好的换热效果，可节省换热材料。
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  基于TRNSYS的严寒地区地热辅助的空气源热泵系统研究

  黄凯良, 侯旭, 冯国会

  流体机械. 2023, 51(7): 83-90. https://doi.org/10.3969/j.issn.1005-0329.2023.07.012

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  针对空气源热泵在严寒地区运行能效受室外低温影响较大的问题，本文通过换热器模块把土壤区域换热器与空气源热泵系统并联，设计了地热辅助的空气源热泵系统，并通过TRNSYSY模拟软件对空气源热泵（ASHP）与地热辅助的空气源热泵（AGAASHP）系统进行对比分析。模拟结果表明：AGAASHP耦合系统的采暖季平均COP为2.37，供暖水温达到45℃以上，且AGAASHP系统的供热效果优于ASHP系统；同时，通过土壤区域换热器埋管深度的单目标优化设计，耦合系统在保障土壤热平衡和良好供暖效果的基础上，优化了5%比例的埋管深度，在一定程度上节省了系统初投资。耦合系统相对于单空气源系统而言，不仅提高了供热稳定性，且可以解决供暖季最不利工况下空气源热泵适应性不足的问题，更加的高效节能。
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  不同热力方案的内燃机余热驱动转轮除湿复合空调系统

  张雪梅, 杨甜甜, 李治昂, 周新宏

  流体机械. 2023, 51(7): 91-98. https://doi.org/10.3969/j.issn.1005-0329.2023.07.013

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  为了提高新风机组的除湿能力与供能系统的能源利用效率，提出了CCHP预冷除湿型单级转轮除湿复合空调系统和CCHP两级转轮除湿复合空调系统。以上海市某酒店建筑为研究对象，应用DesignBuilder软件计算了建筑的各项负荷，基于Dymola仿真平台建立了转轮除湿新风机组模型与供能系统模型，并进行了动态仿真。结果表明：与常规空调系统相比，两种转轮除湿复合空调系统均更具节能潜力与环保效益，且两级系统的节能性更优，单级系统的除湿能力与运行稳定性更好；CCHP单级系统和CCHP两级系统的全年化石能源消耗总量分别下降61.1%，77.85%，年CO₂排放量分别减少了30.08%，29.62%。
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  “GB/T 40079-2021”标准解读及阀门逸散性试验方法分析

  郝伟沙, 朱绍源, 高红彪, 吴怀昆, 郭怀舟, 胡军, 胡春艳

  流体机械. 2023, 51(7): 99-104. https://doi.org/10.3969/j.issn.1005-0329.2023.07.014

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  为了加强GB/T 40079-2021《阀门逸散性试验分类和鉴定程序》的行业推广和科学实施，提高全行业对阀门逸散性试验的理论认识和实操水平，分析了标准所推荐逸散性试验的3种典型方法及其影响因素，其中包裹法操作便捷，运行经济性较好，检测精度高，可定量检测泄漏率，便于在一般工业现场推广，重点对其进行了研究。以“气体动力学”的基本原理为基础，揭示了包裹法的理论依据，检测包内气体流速一般不大于0.32 m/s，与当地音速之比远小于0.3，根据空气动力学的一般约定，可以忽略密度变化，推导了理论计算公式；检测用氦气浓度直接影响检测精度，对包裹法定量检测的关键理论公式进行了完善性补充，解决了测试介质的浓度影响问题，并对此进行了试验验证和分析，试验结果与理论推测基本一致，修正后的公式在氦气浓度不低于80%时基本可以保持较高的检测精度，且具有明显的经济性优势。