- 陆聪聪;王舟;巨永林;崔祥仪;
PandaX-Ⅱ超高纯氙低温精馏系统采用规整填料PACK-13C以分离商业氙中的杂质氪，以满足高灵敏度、低背景暗物质检测实验的要求，精馏塔总高为6 m，内部填料柱高度为4 m，其中精馏端为1.9 m，提馏段为2.1 m。低温精馏系统运行实验结果表明，在全回流阶段，外塔保持6×10~(-3) Pa真空，内塔处于178 K、221 kPa的低温工况，氙含氪浓度从3×10~(-9) mol/mol降至3×10~(-12) mol/mol。基于低温精馏系统所使用的规整填料PACK-13C，建立了特征单元上的计算流体力学（CFD）多物理场耦合模型，基于Delft模型得到传质系数，模拟了全回流阶段规整填料上的低温气液分离过程，模拟结果与实验结果误差较小。模拟结果显示在规整填料表面进行适当尺寸的穿孔可以显著增强低温气液传质，填料的峰高和波长与分离效率呈负相关，其中峰高的影响更为显著。
2025年04期 v.31;No.197 419-427页 [查看摘要][在线阅读][下载 1257K] [引用频次：0 ] |[阅读次数：12 ] |[网刊下载次数：0 ] |[下载次数：157 ] - 李帅勇;张启勇;陆小飞;何艺轩;
聚变设施主机关键系统综合研究设施（CRAFT）是国家重大科技基础设施项目，超导磁体研究系统是该设施主要的建设和研究内容之一。为开展全尺寸超导磁体的低温性能测试，设计建设了一套6 kW@4.5 K大型氦制冷机，并对该氦制冷机的卧式真空绝热冷箱进行了计算验证。根据氦制冷机的制冷流程及冷箱内各个设备尺寸，完成Φ3.8 m×14.5 m大型卧式冷箱三维模型和结构设计。定义了正常工况，分析了冷箱在正常工况下的应力、质量与壁厚的关系，结合国家标准确定了冷箱壁厚，使用有限元分析法计算得到了冷箱在正常工况下受到的应力和应变情况。定义了吊装工况，计算了冷箱在吊装工况下受到的应力与应变情况。对冷箱进行了模态分析，根据抗震标准，人工生成了一组地震波，最后用响应谱分析的方法模拟计算了复合载荷下冷箱外壳的地震响应。研究结果表明壁厚大小与应力应变大小呈非线性负相关，影响程度递减；地震复合载荷下冷箱径向变形很小，主要是轴向变形；本文设计的卧式真空绝热冷箱在不同情况下的结构强度满足6 kW@4.5 K氦制冷机使用要求。
2025年04期 v.31;No.197 428-436页 [查看摘要][在线阅读][下载 1330K] [引用频次：0 ] |[阅读次数：5 ] |[网刊下载次数：0 ] |[下载次数：97 ] - 刘俊明;林文胜;许婧煊;
在精馏填料塔中，传热传质过程主要发生在填料区域，填料润湿性对流动传热有显著影响。通过分子动力学模拟，研究了CH_4-C_2H_6-CO_2三元流体在填料微小通道内的流动与传热过程，重点分析了不同填料表面润湿性对流动与传热特性的影响。研究结果表明，填料表面润湿性显著影响通道内流体的温度分布、速度分布及分子层结构。润湿性越强，通道壁面对流体的作用力越大，近壁面区域的分子分布更为集中，温度梯度减小，固液界面处的温度阶跃和速度滑移量均有所降低，从而强化了通道内壁面与流体的热传导过程，但增大了流体阻力。研究从微观分子层面揭示了润湿性对流动与传热过程的影响机理，为LNG工业中优化低温精馏脱碳工艺提供了理论支持。
2025年04期 v.31;No.197 437-444页 [查看摘要][在线阅读][下载 1359K] [引用频次：0 ] |[阅读次数：4 ] |[网刊下载次数：0 ] |[下载次数：38 ] - 任宏宇;吴畏;杨少柒;谢秀娟;谢宁宁;
氢是一种理想的能源载体，在储能、发电、交通运输和工业生产领域都有着广泛的应用。在交通运输领域，加氢站是上游制氢端到下游氢能应用终端之间的中间环节，起到了氢气存储加注的功能。相较于高压气态储氢加氢站，液氢加氢站在安全性、氢气纯度、加氢站前期建设成本、兼容性以及能耗等方面均具有明显的优势。液氢增压泵是液氢加氢站的核心部件，为了维持液氢增压泵的高效运行，需要对其进行良好的活塞和柱塞密封。在液氢增压泵运行过程中存在来自环境的漏热和活塞密封环摩擦生热。这些热量会使液氢发生相变转化为气氢，造成蒸发损失，使得泵的运行效率降低。相比于活塞密封环，迷宫密封作为一种非接触的密封形式，具有结构简单、低磨损和摩擦生热少等优点，可以有效降低泵运行过程中的内部生热。论文采用了一种新型液氢增压泵低压端活塞结构，该新型结构将传统低压端活塞、低压端入口阀和活塞迷宫密封集成其中。结合动态网格技术建立了液氢增压泵低压端活塞迷宫密封瞬态泄漏模型，探究了活塞往复运动、迷宫密封长度和中间压力对活塞迷宫密封泄漏系数的影响。结果表明，由于近壁面剪切流和活塞挤压作用的耦合影响，活塞往复运动在一定程度上增大了迷宫密封整体泄漏量；迷宫密封长度增大有助于降低密封泄漏量，但优化程度有限；两级液氢增压泵的中间压力越大，迷宫密封的泄漏量也就越大。
2025年04期 v.31;No.197 445-453页 [查看摘要][在线阅读][下载 1239K] [引用频次：0 ] |[阅读次数：6 ] |[网刊下载次数：0 ] |[下载次数：135 ] - 隆海洋;冶文莲;王伟杰;孙述泽;罗新奎;
自由活塞斯特林发动机的输出性能受到多个参数的影响，深入分析自由活塞斯特林发动机内部换热器结构及热力学参数，有助于优化发动机的设计并提高整体性能。基于SAGE软件建立了空间千瓦级自由活塞斯特林发动机热力学模型，选取了热端温度、冷端温度、充气压力、回热器孔隙率、填料丝径和配气活塞相位角等6个参数，探讨不同换热器结构（纤维-管式、丝网-管式、纤维-翅片式、丝网-翅片式）和热力学参数对斯特林发动机输出性能的影响。研究结果表明：斯特林发动机的输出功率和热功转换效率随热端温度的增大而增大，随丝网直径和孔隙率的增加先增大后减小。其中，孔隙率对斯特林发动机的输出功率和热功转换效率的影响较大，在孔隙率为0.9时，斯特林发动机的最大输出功率和热功转换效率分别为15.38 kW和32.48%。在不同换热器结构中，纤维-管式和丝网-管式结构的热功转换效率最大值分别为37.04%和36.23%，较于翅片式结构，管式结构能够实现更高的热功转换效率。采用纤维-翅片式和丝网-翅片式结构的最大输出功率分别达到20.25 kW和20.73 kW，且翅片式加热器结构表现出最佳的热力性能。综上，深入分析了不同换热器结构对输出性能的影响，还探讨了在不同热力学参数条件下，斯特林发动机的输出功率和热功转换效率的变化规律，为空间千瓦级自由活塞斯特林发动机的性能优化提供了理论基础。
2025年04期 v.31;No.197 454-461页 [查看摘要][在线阅读][下载 1234K] [引用频次：0 ] |[阅读次数：5 ] |[网刊下载次数：0 ] |[下载次数：365 ] - 李子兀;张启勇;杨鹏程;薛璞;刘世贸;刘志帆;
在超流氦（He Ⅱ）的二流体模型数值模拟研究中，数值震荡问题一直是学界关注的重点。在二流体模型离散过程中，传统的体心梯度离散方式在处理温度梯度时存在固有局限性，容易引发数值震荡。这种数值震荡不仅影响计算结果的准确性，还可能导致模型不稳定。当温度梯度引发的震荡超出一定范围时，会使得模型的计算结果偏离真实值，严重时甚至可能导致模型崩溃。为此，提出了温度梯度的面梯度离散方法，通过优化离散方式，有效克服了由体心梯度离散导致的数值震荡。首先对两种离散方式所涉及的方程以及引发数值震荡的原理进行了详细阐述，并构建了面梯度离散求解算法。随后，在OpenFOAM~?平台上，以He Ⅱ热对流现象作为计算对象，将面梯度离散方法应用于其中。通过对数值模拟结果与解析解的对比分析，验证了面梯度离散方法的准确性。此外，为了进一步评估面梯度离散方法的性能，还对比了使用面梯度离散方法和体心梯度离散方法的数值模拟结果。结果表明，体心梯度离散方法在数值模拟过程中会出现明显的数值震荡，而面梯度离散方法能够有效抑制这种震荡。研究为超流氦二流体模型的数值模拟提供了一种更具可靠性和稳定性的离散方法，有助于推动相关领域的研究进展。
2025年04期 v.31;No.197 462-470页 [查看摘要][在线阅读][下载 1151K] [引用频次：0 ] |[阅读次数：4 ] |[网刊下载次数：0 ] |[下载次数：42 ] - 彭海波;杨庆喜;徐皓;史根木;余清洲;
超导磁体是托卡马克装置的核心组件，为确保其在极端低温和复杂放电环境中的稳定运行，通常需要采用磁体低温测试平台（MCTB）进行模拟测试。在MCTB中，磁体支撑腿作为固定磁体的关键部件，其结构安全性至关重要，尤其作为容易发生低温脆断失效而引发事故的螺栓连接部分，需经过严格且全面的强度校验，以保证其在4 K的服役环境下仍具备足够的强度和稳定性。论文选取MCTB中承受载荷较大的FIX＿OIS支撑腿结构作为研究对象，运用ANSYS有限元软件对其开展了稳态热结构耦合分析。鉴于支撑腿螺栓在低温环境下的服役条件以及紧固功能特性，对螺栓预紧力进行了调整优化，既降低螺栓在工作过程中发生低温脆断的风险，也避免了在磁体放电过程中螺栓发生松动。参考BPVC. Ⅷ. 2—2021和JB 4732—1995标准及VDI 2230—2015标准对支撑腿螺栓的强度进行了评判，结果显示螺栓强度均满足结构安全性的要求。论文为聚变堆等超低温环境下螺栓强度分析研究工作提供了有益的参考。
2025年04期 v.31;No.197 471-477页 [查看摘要][在线阅读][下载 1207K] [引用频次：0 ] |[阅读次数：4 ] |[网刊下载次数：0 ] |[下载次数：80 ]