2021年第36卷第8期文章目次

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    • 1  光伏发电系统功率预测方法研究综述
    吴 硕
    2021, 36(8):1.
    [摘要](409) [HTML](0) [PDF 2.94 M](283)
    摘要:
    光伏发电大规模并网给电网的稳定运行带来巨大挑战，提高光伏发电功率预测水平对光伏能源并网安全具有重要意义。光伏发电系统功率输出具有明显的非线性、间接波动性和不确定性特点，须采用数学模型结合多尺度预测方法实现较高预测精度。针对多元线性回归算法、马尔科夫链预测、神经网络算法、支持向量机和组合预测等光伏系统输出功率的直接预测方法，及基于光伏电站精确建模的光伏系统输出功率的间接预测法，从基本思想、技术路线、适用条件和应用效果的角度进行分析与总结。当前功率预测方法主要有基于统计学的某种学习方法和组合预测方法，数据处理加工是关键因素。预测数据可用性的评估标准和预测方法的工程应用是未来研究工作的重点。
    2  基于响应面法的圆盘泵叶轮优化研究
    何坤健，衡亚光，张惟斌，江启峰
    2021, 36(8):8.
    [摘要](38) [HTML](0) [PDF 2.70 M](216)
    摘要:
    为了提高圆盘泵的水力性能，以径向直叶片圆盘泵为研究对象，结合计算流体动力学方法（CFD）与响应面分析法，研究叶轮结构参数对泵扬程和效率的影响。以叶片高度、叶片数量和盘间距为优化设计变量，泵的扬程和效率为响应变量，基于Box-Behnken样本点设计法进行三因素三水平设计，建立17组样本点。通过ANSYS CFX数值计算软件对各个样本点的设计模型进行数值模拟，并基于二阶响应面回归方程拟合了叶轮结构参数与扬程和效率之间的关系表达式。研究结果表明：叶片高度、叶片数量和盘间距均对泵的水力性能有明显的影响。多因素交互作用中叶片高度和盘间距的组合影响最为显著。通过响应面方程找到了最优参数组合，优化后的圆盘泵扬程在各流量工况下平均提升了22 m，最高效率提升了15%。
    3  基于本征正交分解的无叶扩压器流动稳定性Galerkin降阶模型
    张赫辉，薛 翔，竺晓程，杜朝辉
    2021, 36(8):16.
    [摘要](467) [HTML](0) [PDF 2.32 M](214)
    摘要:
    将分析湍流拟序结构中的本征正交分解技术运用到离心压气机无叶扩压器的流动稳定性分析中，并将其与Galerkin投影法相结合建立了无叶扩压器内部流场的降阶模型。使用本征正交分解技术提取无叶扩压器在某来流入口角下非定常流场的主要流动模态，将流动控制方程通过Galerkin方法投影至由有限阶本征正交模态所组成的空间上，得到无叶扩压器流动稳定性降阶模型。计算结果表明：该模型可用于判断不同来流入口角下的扩压器流动稳定性，并将降阶模型的计算结果与流场数值模拟结果和线性稳定性预测结果进行对比，验证了此降阶方法的合理性。
    4  燃气轮机轮盘预旋冲击冷却特性研究
    李宗全，牛夕莹
    2021, 36(8):22.
    [摘要](55) [HTML](0) [PDF 2.22 M](202)
    摘要:
    为提高冷却空气对涡轮轮盘的冷却效果，以某型燃气轮机低压涡轮为研究对象，提出了一种带有预旋冲击的轮盘冷却结构。当冷却空气流过该结构时，冷却空气的流动方向发生改变，提高了轮盘的换热效果，降低轮盘温度进而提高了轮盘强度储备。使用CFX有限元计算软件，对该冷却结构和轮盘进行了气-热-固耦合计算，结果表明：带有预旋冲击的冷却结构比非预旋冲击的冷却结构具有更高效的冷却效率；轮盘在预旋冲击冷却作用下，轮盘换热表面温度降低显著；当冷却空气进口温度降低60 K时，轮盘换热表面温度降低37 K；冷却空气进口压力增加0.39 MPa时，轮盘换热表面温度降低10 K。
    5  基于SA-PSO混合优化算法的燃气轮机气路故障诊断方法研究
    黄忠胜，肖 旺，胡振超，张会生
    2021, 36(8):28.
    [摘要](570) [HTML](0) [PDF 1.91 M](188)
    摘要:
    为了对燃气轮机进行有效的气路状态监测和故障诊断，提出一种基于模拟退火与粒子群混合优化的燃气轮机气路故障诊断新方法。采用快速模拟退火算法设计粒子生成器，用生成的初始粒子群进行全局的粗糙搜索，再利用粒子群算法对特定区域进行重点搜索，最终获得精确解。该方法结合了遗传算法的全局搜索能力和粒子群优化算法的高效率，比原始的粒子群优化算法迭代次数更少，可减少50%的诊断时间。此方法对单部件的诊断精度可达到0.1%，多部件的诊断精度可达到1%。
    6  民用大涵道比涡扇发动机吸鸟过程动态性能仿真研究
    严红明，张柯楠，谭智勇，侯 亮
    2021, 36(8):33.
    [摘要](265) [HTML](0) [PDF 3.14 M](201)
    摘要:
    为验证民用大涵道比涡扇发动机对《航空发动机适航规定》CCAR33.76吸鸟适航条款的适用性，针对吸鸟条款中的中鸟附加完整性子条款开展数值仿真研究。基于风扇叶片鸟撞过程动力学仿真结果及鸟撞前后风扇特性数值计算结果，以某型发动机为例建立吸鸟过程动态性能仿真模型，完成了发动机从吸鸟开始到最终稳定的动态过程仿真，获得了吸鸟过程及最终稳定后的性能变化情况。结果表明：吸鸟后发动机性能急剧变化的主要因素是风扇叶片的塑性形变，通过起飞状态发动机吸鸟前后稳态节流特性对比，起飞推力下降约8%，满足持续的功率或推力损失不超过25％的条款要求；随着转速下降，风扇外涵喘振的风险极高，需改进设计保证吸鸟后风扇外涵仍具有足够的裕度；吸鸟前后，涡轮进口温度及发动机排气温度均下降，不存在超温风险。
    7  一种基于燃气轮机实时模型的硬件在回路平台集成与验证
    沈立锐，胡忠志，房 娟，郑前钢
    2021, 36(8):42.
    [摘要](414) [HTML](0) [PDF 2.42 M](215)
    摘要:
    为了研究基于燃气轮机模型的先进控制算法和故障诊断技术，需要建立准确性和实时性更好的燃气轮机实时模型。采用基于模型的设计方法，在Simulink中建立燃气轮机分段线性化实时模型，通过代码生成技术和封装技术，将模型集成在南京航空航天大学航空发动机/燃气轮机全数字仿真平台和硬件在回路平台。在硬件在回路仿真试验中，燃气轮机实时模型与非线性模型的最大相对误差不超过3%；单位步长内，实时模型在数字电子控制器中计算平均耗时为0.126 ms，最大耗时为0.131 ms，精确性和实时性均满足控制系统的要求。
    8  基于格子Boltzmann方法的柴油机SCR脱硝模拟
    赵 健，金 晶，侯封校，寇学森
    2021, 36(8):48.
    [摘要](521) [HTML](0) [PDF 2.74 M](184)
    摘要:
    基于格子Boltzmann方法，对应用于柴油机的选择性催化还原（SCR）进行了介观尺度数值模拟。采用D2Q9模型描述速度场，D2Q5模型描述浓度场，通过耦合化学反应分析了空速比、催化剂孔隙率及颗粒半径对柴油机SCR脱硝效率的影响，并描述了介观尺度上SCR反应过程中的流动、扩散与反应现象。其中，空速比选取范围为10 000~50 000/h，催化剂颗粒半径选取范围为400~800 μm，孔隙率选取范围为0.65~0.85。研究结果表明：气体在催化剂中会优先沿较宽的孔道流动和扩散，且在空速比增加时，孔隙较宽处的流速明显增加并降低NO转化率，因此，在催化剂生产中应保证孔隙的均匀性；当孔隙率增加时，计算域的入口处的NO质量分数降低得更快，但计算域的出口处NO质量分数更高，因此在布置催化剂时可考虑在入口布置孔隙率较大的催化剂；当催化剂半径增加时，降低了NO转化率，因此在催化剂生产中，应对焙烧温度进行控制，防止催化剂团聚。
    9  微小型燃气轮机燃烧室模化方法适用性的数值研究
    沈思远，宗 超，季晨振，朱 彤
    2021, 36(8):56.
    [摘要](116) [HTML](0) [PDF 3.46 M](229)
    摘要:
    为获得经济性好且准确性高的微小型燃气轮机燃烧室模化实验方法，采用简化的二维模型对不同模化准则、不同模化空气温度和不同燃料控制策略的模型分别进行数值模拟研究，并与设计状态进行对比。研究表明：对于燃料为甲烷的微小型燃气轮机燃烧室，随着压力指数n增大，混合气在燃烧反应区的停留时间增加，回流区面积减小； n选取1.75~2.0时能获得较为准确的污染物排放的模化效果； n=1，即采用等容积流率准则时，能获得较为准确的出口温度分布和流场相关的模化结果；采用等燃烧效率L准则，模化状态理论燃烧温度保持不变，空气温度从493 K降低至300 K时，反应区平均温度和停留时间变化不大，NOx体积分数升高10×10-6，燃烧效率降低了0.5%，燃烧不充分，CO体积分数大幅升高。
    10  层叠式高温相变蓄热系统传热特性的实验研究
    陆 威，王冠锦，毕书乾，吴志根
    2021, 36(8):65.
    [摘要](95) [HTML](0) [PDF 2.50 M](211)
    摘要:
    为研究层叠式高温相变蓄热系统的传热特性，采用二元熔盐Solar Salt（质量比NaNO3:KNO3=6:4）为相变材料，以空气为换热介质，记录不同风速下蓄热箱体内部的温度变化。通过层叠式高温相变蓄热系统的放热实验，分析蓄热箱体内部蓄热单元的传热特性，进而对蓄热箱体内部传热效率低的区域进行传热优化。通过在相变材料Solar Salt中添加不同质量分数的膨胀石墨，提高相变材料的导热系数，进而改善传热效率低的区域。实验表明：在蓄热箱体内部，靠近出风位置的蓄热单元A2降温到200 ℃所需时间分别比靠近进风位置的蓄热单元B2和C2多10.5%和37.4%。为解决靠近出风位置的A列蓄热单元传热效率低的问题，在A列蓄热单元的Solar Salt中添加膨胀石墨，可以显著改善蓄热箱体内部的传热情况，明显提高了系统的换热能力，且风速为1.53 m/s时相邻配比材料效率提升最大。
    11  R1234ze(E)与R134a在水平双侧强化管外的凝结换热对比实验
    孙 晨，欧阳新萍，夏荣鑫
    2021, 36(8):72.
    [摘要](18) [HTML](0) [PDF 2.30 M](178)
    摘要:
    搭建了水平单管降膜蒸发试验台，以第四代制冷剂R1234ze(E)和第三代制冷剂R134a作为工质，在新型水平双侧强化管管外分别进行了改变管内水速、热流密度和冷凝温度条件的凝结换热实验。使用Wilson-Gnielinski图解法计算得到管内表面传热系数hi，进一步采用热阻分离法分离出两种制冷剂的管外表面传热系数，并分析了管内冷却水水速、冷凝温度和壁面过冷度的变化对其换热性能的影响。实验结果表明：同根实验管下不同制冷剂凝结换热性能的差异与制冷剂物性与强化管结构之间的匹配特性有关，实验管型下，R1234ze(E)的管外凝结换热性能高于R134a。
    12  低热值C2H4-AIR-N2预混气体在多孔介质内的燃烧特性研究
    钱炯杰，曾宪阳，凌忠钱，阮一鸣
    2021, 36(8):78.
    [摘要](429) [HTML](0) [PDF 2.51 M](201)
    摘要:
    利用自行设计的多孔介质实验台，对C2H4-AIR-N2预混气体在多孔介质燃烧器内的燃烧特性进行了实验研究,分析燃料当量比、预混气体流速以及N2稀释比对预混气体的可燃极限、火焰传播方向、火焰温度分布以及污染物排放的影响。研究表明：随着稀释比的上升，预混气体的可燃极限范围缩小，火焰向上游传播的工况逐渐减少；燃烧器内最高火焰温度与当量比以及气体流速正相关，与稀释比负相关；CO的排放量随着稀释比的上升而增加，与当量比以及气体流速负相关；实验中的NO排放量小于20 mg/m3。
    13  超临界CO2布雷顿循环中换热器夹点判断方法
    史香锟，刘治京，吴 昊，张淑兴
    2021, 36(8):85.
    [摘要](388) [HTML](0) [PDF 2.32 M](181)
    摘要:
    为了分析超临界CO2布雷顿循环中换热器的夹点情况，建立了换热器传热单元模型，提出了一套系统性的夹点判断方法:夹点的简化判据和分段计算分析方法。结果表明：夹点简化判据简单易行，但是实用性较为局限；分段计算是一套准确有效的夹点分析方法，能用于换热器夹点存在性、夹点位置和夹点温差的判断分析；高温回热器内一般不存在夹点，最小温差出现在换热器冷端；低温回热器和冷却器中存在夹点的可能性较大。
    14  基于燃烧与水动力耦合模型的锅炉蒸汽管超温特性研究
    喻 聪，司风琪，李 敏，吴翰林
    2021, 36(8):92.
    [摘要](53) [HTML](0) [PDF 2.86 M](173)
    摘要:
    提出一种基于燃烧与水动力耦合模型的锅炉蒸汽管壁温度数值模拟方法，对某660 MW超临界切圆燃烧锅炉壁温进行了计算分析。以均匀外壁温为边界条件，利用Fluent软件模拟了煤粉气固流动、燃烧和辐射等过程，获得了炉内不同位置受热管的传热热流。再以热流分布为边界，采用MATLAB软件建立了工质流动及气-壁-汽换热方程组，Fluent软件重新计算的壁温边界。通过编写模型间的网格映射函数，实现壁温的耦合计算。研究表明：壁温计算值与实测值的最大相对误差在2%以内；炉膛出口残余旋转使水平烟道左侧和右上方热流较大，高温再热器和末级过热器的外壁温沿炉宽方向呈双峰分布；高温再热器整级受热管出口壁温的峰谷差值远高于末级过热器，实际运行中应特别注意高温再热器靠烟道左侧管屏外圈管子向火侧弯头处的超温。
    15  逆向气流条件下半椭圆管外水平降膜厚度分布研究
    徐新帆，周亚素，刘 刚，王树信
    2021, 36(8):99.
    [摘要](12) [HTML](0) [PDF 2.62 M](183)
    摘要:
    为研究半椭圆管水平降膜厚度的分布规律，搭建逆向气流条件下水平降膜实验平台，并结合数字图像处理技术，研究逆流风速(0~5 m/s)和喷淋流量(0.025~0.221 L/min)对液膜厚度的影响。研究表明：逆向气流会对管外水膜产生影响，并存在临界速度；当逆流风速低于临界速度，液膜厚度沿圆周方向先减小后增大，与无空气流动时相似；当逆流风速超过临界速度时，液膜分布严重不均甚至被吹飞；随着逆流风速增大，平均液膜厚度先增大后减小；随着喷淋流量增大，平均液膜厚度持续增大；当喷淋流量减小、逆流风速增大时，平均液膜厚度减小。
    16  分离燃尽风水平摆角对1 000 MW八角切圆锅炉燃烧特性影响的数值研究
    王亚欧，耿察民，金 炜，陈 波
    2021, 36(8):106.
    [摘要](31) [HTML](0) [PDF 3.07 M](179)
    摘要:
    以某1 000 MW八角双切圆锅炉为研究对象，采用数值模拟方法分析了分离燃尽风（SOFA）水平摆角对炉膛出口烟气温度、速度以及炉内主要燃烧产物分布的影响。结果表明：将SOFA水平摆角正向增大5°时可同时降低CO与NOx排放量；正向增大SOFA水平摆角，即SOFA正旋切圆直径增大，炉膛出口两侧逐渐出现双峰型高温烟气区，烟温偏差有所增大，而烟气高流速区则向炉膛出口中部移动；反向增大SOFA水平摆角，即SOFA反旋切圆直径增大，炉膛出口烟气温度和速度分布的不均匀性均有所减小。
    17  高压加热器抽汽切除及灵活调节仿真试验研究
    马良玉，赵晶璇，马 进
    2021, 36(8):114.
    [摘要](25) [HTML](0) [PDF 2.72 M](172)
    摘要:
    为深入了解高压加热器抽汽灵活调节辅助机组快速变负荷的潜力，利用600 MW超临界火电机组全工况仿真系统进行不同方式切除高压加热器抽汽仿真试验，总结了不同切除方式对机组关键运行参数的影响规律。进一步开展高压加热器抽汽调节参与机组快速变负荷仿真试验。结果表明：高压加热器抽汽参与机组变负荷调节可有效改善机组的负荷响应速率和调节时间, 更好地满足自动发电控制（AGC）对机组快速变负荷的需求。
    18  叶片整流器强化涡流管制冷性能研究
    艾国生，赵志勇，耿远力，刘凤霞
    2021, 36(8):121.
    [摘要](25) [HTML](0) [PDF 2.26 M](164)
    摘要:
    为解决涡流管工作过程中气体易产生旋涡的问题，设计一种新型叶片整流器，将旋流转化为平行流，实现能量回收利用。搭建实验平台，通过调整装置结构及工况进行相关研究。实验结果表明：压比为2时，与无整流器涡流管相比，相同长径比下安装整流器的涡流管制冷效应（入口与冷端出口温差）提高3.5 ℃；相同制冷效应下，整流器能将长径比缩短一半；冷流率为0.5时，两端同时安装整流器时单位制冷量最大提升3.5 kJ/kg，只安装在热端时单位制冷量最大提升2.6 kJ/kg，只安装在冷端时单位制冷量最大提升0.64 kJ/kg；当压比较低时整流器叶片入口角度较小有利于提升制冷效果，当压比较高时叶片入口角度较大有利于提升制冷效果。
    19  运行参数对甲醇重整制氢的热力学特性影响研究
    陈春雨，丁小益，吕小静，翁一武
    2021, 36(8):127.
    [摘要](154) [HTML](0) [PDF 2.25 M](180)
    摘要:
    针对以氢气为燃料的动力系统运行条件需求，构建了甲醇重整反应热力学和化学平衡反应体系，以某功率型号燃料电池/燃气轮机（Solid Oxide Fuel Cell/Gas Turbine,SOFC/GT）混合动力系统为研究对象，分析其额定工况、变工况运行时，温度、水碳比和压力对各重整产物分布及产氢率的影响。结果表明：额定运行工况下，重整产物中H2摩尔分数为49.8%，碳沉积现象消失；在变工况运行时温度对重整反应的热力学特性和化学平衡特性影响较大，当温度为912 K时产氢率达到峰值2.547，当温度为910 K时碳沉积现象消失，当温度高于912 K时不利于H2的产生；水碳比增加有利于提升产氢率，降低H2摩尔分数，减少积碳和CO的产生，当水碳比为2时产氢率达到2.48，当水碳比为1.25时碳沉积现象消失；压力对重整结果的影响相对较小，在温度为650~910 K时，降低压力有利于提高产氢率。
    20  粘滞阻尼器参数对海上风力机风致振动控制影响研究
    薛世成，闫阳天，李 春，缪维跑
    2021, 36(8):133.
    [摘要](41) [HTML](0) [PDF 4.00 M](240)
    摘要:
    为研究粘滞阻尼器参数对风力机振动控制效果的影响，以NREL 5 MW海上风力机为研究对象，基于有限元方法建立风力机模型，针对湍流风诱导下风力机振动，对比分析不同参数粘滞阻尼器作用下塔顶位移及塔壁应力分布。结果表明：粘滞阻尼器可有效控制风载荷导致的风力机塔顶振动，在相对速度指数小于0.7时，随阻尼系数增大对塔顶位移控制效果先增强后减弱。当相对速度指数大于等于0.7时，对塔顶位移控制效果随阻尼系数增加而增强；粘滞阻尼器可减小其连接点上方塔壁米塞斯应力集聚区域的面积；在相对速度指数取1.0，阻尼系数取5.25×107 N•s/m时，粘滞阻尼器对米塞斯应力最大值控制效果最好。在相对速度指数为0.7，阻尼系数为3.75×107 N•s/m时，粘滞阻尼器对米塞斯应力均方差控制效果最好。
    21  吸力面弹片改善翼型失速特性的数值研究
    陈福东，李 春，郝文星，缪维跑
    2021, 36(8):143.
    [摘要](20) [HTML](0) [PDF 3.63 M](179)
    摘要:
    为改善流动分离造成叶片气动效率降低，基于鸟鹰类翅膀羽毛在大范围流动分离时自适应弹起的特点，在翼型吸力面设置功能类似羽毛的弹片。弹片在未发生大范围流动分离时贴附翼型表面，使原始翼型轮廓发挥作用，并于攻角增大时弹起以改善翼型失速特性。以NREL S809为原始翼型，对不同攻角下多个弹片角度进行了数值计算，并对所得气动参数进行分析。研究表明：在大范围流动分离时，弹片可有效提高升阻比，最高达50%~60%；气流贴附弹片流动至其末端，从而抑制和拖延了涡的发展，进而提高了流场稳定性，使波动更规律且幅度更小；所研究攻角范围内，改善翼型气动性能的最佳弹片角度随攻角呈近似线性变化。
    22  燃用贫煤的130 t/h CFB锅炉低氮燃烧技术改造
    金森旺，陈久全，曾贯虹，孙 广
    2021, 36(8):152.
    [摘要](32) [HTML](0) [PDF 2.16 M](203)
    摘要:
    以某台燃用贫煤的130 t/h循环流化床（CFB）锅炉为研究对象，制定了锅炉低氮燃烧技术改造方案，预计通过低氮燃烧将NOx最大排放值由230下降到120 mg/m3以下。风帽结构优化改造后，锅炉临界流化风量降低了11.6%，NOx最大排放值由230降至186.66 mg/m3，较改造前降低了18.8%；锅炉旋风分离器改造方案实施后，分离器入口烟气流速由18.7提高到24.2 m/s，悬浮段压差由635升至943 Pa，炉膛温度下降了18 ℃，NOx最大排放值由186.66降至80.74 mg/m3，较改造前降低了56.7%；燃烧调整试验后，炉膛出口氧体积分数由3.48%减小到2.73%，NOx排放值由59.8降至47.61 mg/m3，较调整试验前下降了20.3%。根据锅炉煤质条件，运行参数和结构参数制定的低氮燃烧技术方案实施后，NOx最大排放值降低了64.8%。锅炉90%负荷以下时，不进行SNCR脱硝也可实现NOx超低排放，实现了低氮燃烧的目标，应用效果优于预期。
    23  超临界CFB机组储水罐水位控制优化
    王 琦，胡 磊，侯鹏飞，杨超杰
    2021, 36(8):158.
    [摘要](28) [HTML](0) [PDF 3.12 M](217)
    摘要:
    以山西某电厂350 MW超临界CFB机组为研究对象，对其储水罐水位控制系统进行了研究和优化。针对储水罐内部水位波动幅度大的缺陷，设计了前馈串级复合控制系统对原有储水罐水位控制系统进行了改进，并进行扰动仿真实验。仿真结果表明，在遇到扰动时改进后的控制系统相比原有控制系统超调量降至3.2%，调节时间降至12 min，表现出很强的抗扰能力。

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