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动力系统热流体课题组(PSTF)

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Introduction to the laboratory

       董非,男,教授,低碳能源与动力系统省高校重点实验室(江苏大学)副主任,中国内燃机学会燃料电池发动机分委会委员,江苏省动力与储能标委会委员,江苏省科技副总、省六大高峰人才。针对国家“双碳”战略急需和新能源动力系统行业瓶颈和难题,持续开展燃料电池多相流动与传热、新型动力系统研发与应用和内燃机多相流动与传热等基础理论研究、关键技术攻关和成果转化应用。主持和参与国家自然科学基金、863重点计划项目、国家重大科技成果转化项目等课题,企业产学研项目20余项,其中百万级5项。发表SCI收录论文50余篇,授权中国发明专利30余件、PCT专利2件。获江苏省科技进步二等奖1项,中国机械工业科学技术二等奖1项,产学研合作创新与促进奖一等奖1项。指导大学生创新创业项目曾获国家级立项2项。

      动力系统热流体课题组由董非教授创建,课题组现有教师3人,博士生2人,硕士生16人,已培养多名学生到新加坡南洋理工大学、日本东京大学、日本大阪大学、香港理工大学和同济大学攻读博士和联合培养,课题组主要针对动力系统热质传递问题及其调控机制进行研究,主要包括:

      (1) 内燃机多相流动与传热

      (2) 动力电池高效散热技术

      (3) 燃料电池水热管理

      (4) 先进沸腾颗粒流数值计算方法

      课题组招聘多个江苏大学硕士、博士、博士后和研究助理等职位,详见招聘信息。

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内燃机多相流动与传热

       自2007年起,课题组开始从事内燃机沸腾相变传热的研究工作。从单相流和两相流的角度出发,分别构建了几种计算内燃机过冷流动沸腾传热的框架,相应地提出了一系列模型。比如利用支持向量机(SVM,Support Vector Machine),提出了基于VOF方法的相间质量传递时间松弛因子的预测方法,建立了适用于内燃机工况的沸腾传热模型。搭建了内燃机气缸盖水腔内沸腾换热可视化实验平台,利用内窥镜式高速摄影系统,探明了缸盖冷却水腔内汽泡行为特征及温度场云图分布。相关研究已发表SCI论文4篇,申请发明专利3项。

      课题组研究了人工结构形貌对沸腾换热的影响,以圆柱形凹坑形貌为例,在矩形冷却通道加热面上均匀布置了若干个圆柱形凹坑,探究了强化沸腾换热规律,并对凹坑形貌的四个关键尺寸(凹坑沿流向的间距a、凹坑横向的间距b、凹坑的直径d和凹坑的深度h)进行了响应面分析,获得了各个参数对加热面热流密度的影响规律。相关研究已发表SCI论文2篇,申请发明专利2项。

动力电池高效散热技术

       液体冷却系统是保持锂离子电池性能的关键,因为它具有良好的导电性,可以使电池在合适的环境中工作。针对18650锂电池设计了一种新型的双螺旋冷却结构。通过数值模拟,研究了冷却液质量流量(M)、螺旋槽间距(P)和流量直径(D)对冷却性能的影响。对拉丁超立方抽样得到的设计点进行了数值计算。为了减少计算时间,采用了克里格近似模型法。使用非支配排序遗传算法II获得帕累托解,并使用多准则决策(MCDM)算法对最优解集进行排序。此外,课题组 设计了一种新型的蜂窝冷却结构。通过数值模拟,对比圆形、椭圆形、方形、六边形凹坑形状对冷却性能的影响,进而提出一种新型蜂窝状冷却结构,研究蜂窝深度(D)、蜂窝边长(L)和蜂窝壁厚(S)对冷却性能的影响,根据 Box-Benhnken 的中心组合试验得到的试验方案进行数值计算,得到其二次响应回归模型。 

燃料电池水热管理

      GDL水管理有利于PEMFC高效和稳定运行,GDL穿孔是燃料电池水管理的一种有效方法。为了研究穿孔 GDL 中液态水的输运过程,建立了不同穿孔直径、穿孔间距和孔的阵列模式的随机重构多孔 GDL 结构,模拟了穿孔 GDL 中水的输运过程。研究发现穿孔孔径对水的输送有较大影响,随着孔径的增大,液体水穿透高度增大,含水饱和度显著增大。穿孔间距过小,使穿孔对液态水的影响范围重叠,降低了输水效率。阵列方法对含水饱和度和液态水突破高度影响不大。上述结果表明,阵列参数对孔内液态水的行为有重要影响,该研究对穿孔GDL内水管理优化具有重要意义。

      为探究穿孔GDL对燃料电池单电池性能的影响,同时提高GDL的输运性能,提出了一种基于三维模型的椭圆孔GDL。研究了不同形状参数对水扩散和输运行为的影响。与传统的GDL相比,椭圆孔的存在大大加快了反应物和产物的流动速度。此外,当深度从100 μm增加到300 μm时,GDL的水质量分数降低,而氧质量分数增加。随着深度的增加,燃料电池的传输性能得到改善。所有形状参数都对平均水质量分数有贡献。当深度为350 μm、半径为350 μm、宽度为200 μm、间距为50 μm时,水质量分数最小。该研究为穿孔GDL的设计提供了理论指导。

       为了促进PEMFC的商业化进程,需要开展低温环境下燃料电池多孔介质内部融冰过程的研究。课题组揭示了温度诱导微纳多孔介质内的相变传热过程,探明了相界面前沿的非均匀性产生和演化机理,提出了冻融率与傅里叶数关联式;而后基于相变传热模型,考虑电化学、相变传热和多相流动等多场耦合作用,揭示了低温环境下微纳多孔介质内多相反应流动机理。

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