总体概况-动力工程多相流实验室
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实验室仪器设备概况

       一、大型仪器设备、实验系统的使用率,开放和共享情况

       实验室作为我国多相流科学与技术的最高研究平台,在国家“211”、“985”和重点实验室建设经费的大力支持下,目前拥有30万元以上大型精密贵重测试仪器80余套,其中100万元以上大型仪器18台。此外,实验室自主设计建设的大型实验系统20余套。这些大型仪器设备及实验系统为实验室所承担的国家973、863、自然科学基金、企业委托等各类重大(要)课题的顺利执行,以及对外开放提供了良好的支撑条件。

       管理方面,实验室对大型仪器设备和实验系统均建立了运行日志,并配有专职教师或实验技术人员进行运行维护管理,严格执行专人负责和使用登记的制度,以便及时发现问题,消除故障隐患。实验室还多次组织仪器培训,鼓励研究生自主上机操作,加强研究生实验技能培训质量。使用方面,目前实验室拥有的大型精密贵重测试仪器95%以上处于完好状态,平均机时率高达99%,其中有约50%的大型贵重设备面向国内外全面开放,平均共享率高于20%;自制大型实验系统均处于完好状态,平均机时率80%以上。

     “开放仪器设备,加强国际合作;协助人才培养,助力“一带一路”;共享专有仪器,促进“军民融合”;高校范围内共享,辐射西北地区;增强工程热物理、能源利用科技资源平台建设利用”。

       为了进一步提高大型仪器设备的机时率以及对外开放和共享程度,发挥作为国内一流多相流科学与技术研究平台的作用,扩大实验室国内外的影响力,一部分精密贵重仪器入选西安交通大学大型仪器设备网及高等学校仪器设备和优质资源共享系统,多渠道向校内外甚至国外开放,使得实验室的硬件和技术资源不仅在本室得到了充分利用,而且辐射西北地区,对相关领域和学科研究也起到了促进推动作用。例如,校内的电信学院、机械学院、材料学院、能动学院、电气学院、理学院、医学院、附属医院超过40个课题组的师生在我室建有账号,长期在实验室使用相关测试仪器。西安地区包括西北工业大学、西北大学、西北有色金属研究院、第四军医大学、中国人民解放军第二炮兵工程学院、204所、西安建筑科技大学、长安大学、西北核技术研究所、西安理工大学等10余家科研院所、公司单位利用我室科研设备进行实验测试,开展相关研究。外校如上海交通大学、北京科技大学、华中师范大学、兰州大学、青岛大学等国内高等院校也多次联系我室进行实验测试。国外方面,美国加州大学伯克利分校、澳大利亚昆士兰大学、日本NIMS、瑞典乌普萨拉大学等世界知名高校或研究机构与我室开展科研合作的过程中,多次利用已有精密设备进行样品测试。培养“一带一路” 相关国家留学生,培训使用并且共享实验仪器设备。增强工程热物理、能源利用科技资源平台建设以及科技信息资源共享利用。

      

       二、大型实验系统/实验平台建设情况

       1、大型实验系统新建情况

       实验室瞄准国家重大需求,积极开展工业化示范,充分发挥高等院校、科研院所、企业集团等协同创新形成的集聚效应,通过开展相关理论与技术的研究与应用,力求解决关键科学和技术问题。建设期间,实验室新建了多个大型实验平台和重要示范基地,具体如下:

       ① 新建大型海洋边际与陆地油田高效开采及长距离输送多相流实验平台

       为模拟海洋环境下的高压低温条件,研究较大管径、长管道及起伏管路内严重段塞流特性,设计搭建了国内唯一、国际顶级的大型海洋边际与陆地油田高效开采及长距离输送多相流实验平台,该实验平台具有压力高(35MPa)、管径大(80mm)、规模大(2100m)等接近工业条件的特点,能够模拟海洋环境下的高压条件,研究大管径、长管道及起伏管路内严重段塞流特性,可为深水海底管线多相流动特性实验及流动安全技术的研发及中试提供支持。

       其主要功能为:近似工业条件下的严重段塞流特性实验研究;严重段塞流消除方法实验研究;水平管和起伏管道内多相流特性实验研究;流动安全保障技术的评价。

       ② 新建自然循环式太阳能聚光与光催化耦合制氢反应系统

       可再生能源大规模利用是能源领域未来的发展方向,太阳能聚光耦合光催化分解水制取氢气是具有前途的制备可再生能源的途径之一。在前期研究成果基础上,实验室首次在直接太阳能光催化制氢系统的流体输送上采用了“以自然循环为主的联合动力循环模式”,建成了一套自然循环式太阳能聚光与光催化耦合制氢反应系统,系统中催化剂采用半悬浮(半平铺)的方式分布在反应管内,并采用间歇式脉冲气体扰动的方式促进催化剂在反应体系中的充分悬浮,极大降低了系统运行中流体输送所需的能量,系统有效聚光面积32.4m2,反应容积205L,产氢量675NL·d-1·m-3,目前紫外可见光区的光氢转化效率约6.9%,真正为高效低成本大规模的利用太阳能催化分解水制备氢气的工业化推广奠定了研究基础。

       本中试实验平台的主要功能为:探索管道内添加组件、催化剂不同分布方式对传质的影响规律;系统模块、物料流程对系统效率的影响特性;研究耦合系统再放大中的关键技术问题。

       ③ 新建液态金属钠热工水力综合基础实验平台

       全新建设了液态金属钠回路的供电系统、测量系统、加热系统、控制系统、净化系统等,成功建成并启用了液态金属钠热工水力综合基础实验平台。该平台是国内目前唯一的可以进行液态金属钠沸腾两相流动换热特性研究的回路装置。目前此平台正在承担着国防科工局核能开发项目“钠沸腾热工水力特性研究”课题(研究经费480万元)。该平台主要实验参数为压力:0.05~0.15MPa,温度:120~500℃,最大运行功率:250kW,质量流速:40.0~4000kg/m2•s。

       该平台建设期内共申请国家发明专利10项,在电磁泵冷却、液态金属液位探针研制、液钠净化技术、电磁泵冷却技术等方面取得突破。该台架是国内目前唯一可进行液态金属钠沸腾两相流动换热特性研究的回路装置,在国内产生很大影响力,相关专利技术成功的应用于国内其他高校和科研院所,包括中科院上海应物所、兰州近代物理研究所、合肥等离子物理研究所、中科院工程物理研究所等。

       ④ 新建聚焦太阳能与生物质超临界水气化耦合制氢示范装置

       在宁夏盐池县太阳山构建了生物质超临界水气化与直接太阳能聚集供热耦合制氢试验性示范装置与研究平台,生物质与超临界水混合物处理量>1t/h,质量浓度>15%,设计温度800℃,设计压力35MPa,聚光功率163kW,实现了生物质的完全可再生转化制氢。该示范系统在物料处理量、浆料输送方式、反应器设计、供热方式、温室气体减排等方面处于国际领先位置,验证了生物质超临界水气化与直接太阳能聚集供热耦合制氢的可行性,展示了该技术良好的应用前景。

       该示范装置不仅可用于后续长时间、高效连续耦合气化制氢的实验研究,也可用于太阳能技术工业化放大的可行性和论证性研究,并将对生物质超临界水气化与聚焦太阳能耦合制氢技术的工业化应用起到至关重要的作用,同时也可作为生物质超临界水气化制氢技术之外的其他多种热化学制氢途径的筛选、优化等科学研究平台。

       ⑤ 新建复式反应器还原炉(镁冶炼)机械化连续生产示范装置及实验平台

       为解决镁冶炼行业能耗高、污染大、机械化生产水平低、产量低等难题,与宁夏开泰镁业有限公司联合建立了“复式反应器还原炉(镁冶炼)机械化连续生产示范装置及实验平台”,实现了单罐装料和出渣同步进行,单炉出镁、装料、出渣连续作业,复式镁结晶器一次出镁150~200kg,反应器单日产镁0.8~1.0吨,单炉产镁达40~50吨,年产量达1.25~1.5万吨,在保证高产镁量的同时还原反应周期为5~6小时,综合能耗降低50%,该示范装置在节能环保、机械化生产等方面具有良好的示范作用。

       其主要功能为:硅热法炼镁还原反应动力学实验;模拟大型立式还原炉高温空气燃烧;复式反应器高效传热优化设计;炼镁废渣余热回收锅炉与立式还原炉的匹配、优化设计;恒速射流脉冲燃烧器在立式还原炉中的应用研究及优化设计。

       ⑥ 新建超临界水氧化处理及资源化利用示范装置

       在国家863项目的支持下,建成了国内首台超临界水氧化处理及资源化利用示范装置。该示范装置特点和核心技术表现在:实现了城市污泥化学需氧量减排和脱盐处理的一体化过程;最大程度地回收利用了反应后液体的热量,降低了装置的运行成本;利用超临界水的特殊性质在装置中实现了脱盐处理和泥渣分离;反应后的清洁液体作为装置的蒸发壁水进行循环利用。其研究成果可应用于城市污泥的无害化处置,及化工、医药、造纸、制革、印染、军工等行业产生的多种高浓度难生化降解有机废水的无害化处理。

       该示范装置填补了国内空白,攻克了诸如系统防腐、防盐沉积堵塞、脱盐除渣、安全控制、能量回收与综合利用、系统经济性提升等一系列产业化推广应用需要解决的关键技术,打破了国外的技术垄断,形成了一系列具有自主知识产权的核心技术,目前在超临界水气化/氧化系统、关键设备和技术工艺、安全控制技术等方面拥有系统、完全的自主知识产权,已授权和公示的国家发明专利38项,其中已授权发明专利19项,提交国际专利申请4项。

       2、大型实验系统改造及功能拓展情况

       建设期间,实验室对原有多个大型实验台架进行改造,具体如下:

       ① 改造高压汽水两相流动与传热实验系统

       “高压汽水流动与传热实验系统”一直是国内外罕见的长期保持良好运行状态的大型两相流实验台。实验室利用建设经费和“211”、“985”经费,结合承担的国家、大企科研任务,更新了配电系统、数据采集与加热控制系统、高压高温质量流量计、压力、压差传感器等测量系统。改造后的实验平台,其主要运行参数从改造前的压力30MPa、加热功率0.8MW,提升至现在的压力40MPa,加热功率1.4MW。目前可用于测量几乎所有液体及中高压气体,对于临界状态的物质也有很好的应用,极大拓展了实验系统的测量范围与测量精度。

       在原有碳氢燃料测试系统的基础上,新建了碳氢燃料高温热物性在线测量系统,主要包括热沉在线测量分系统,比热测量分系统和密度测量分系统,用于探索超临界流体物理性质的实验测试技术。

       改造后的实验平台可实现以下功能:大型直接空冷机组空冷岛关键技术研究;先进堆非能动余热排出系统稳态传热和瞬态流动传热研究;高温燃料流量测量方法研究;碳氢燃料高温热物性测试方法研究。

       ② 改造油气水多相流实验平台

       实验室针对实际海洋平台中置浮筒设计,将油气水多相流实验平台原有垂直立管实验系统改造为“S”型柔性立管实验系统,可对海洋平台严重段塞流进行更为准确的模拟;针对海底路由管径不同,将原有非变径管道拓展为可变径管道,从而形成了一整套可模拟低压条件下,油田生产的、适合多种工质的集输-立管大型实验平台。通过对立管特征位置重新布置压力压差测点,发明了基于压力波的严重段塞流在线识别技术,以及立管顶部阀门节流控制工艺技术,实现了对柔性立管中严重段塞流的控制和消除。上述成果已在新文昌油田海洋平台现场进行中试实验并获得满意的结果。

       改造后的实验平台可实现以下功能:低压条件下垂直/柔性立管内严重段塞流的段塞特性实验研究;流型识别实验研究;段塞消除及控制技术实验研究;动安全技术评价。

       3、实验平台新建完善情况

       建设期内,实验室在相关部门的支持下,五个研究分部就扩展的研究方向新建若干实验台架

       ① 多相流与大型热能动力系统工程研究部新建9套实验平台,分别是O2/CO2燃烧烟气辐射及对流传热特性及CO2综合处理与利用实验台、超(超)临界循环流化床燃烧及传热实验平台、海水淡化关键技术实验平台、碳氢燃料高温热物性在线测量系统、碳氢燃料流动换热及燃料评估实验平台、小型高速高精度涡轮气动特性实验平台、微型燃气轮机热电冷联供系统实验平台、射油器混合、空化与汽蚀特性实验系统、环形空心叶栅缝隙除湿实验系统 ,用以开展CO2处理利用,研究不同燃料燃烧过程对超/超超临界锅炉温度分布、污染物排放及传热特性影响的研究,海水淡化实验研究,碳氢燃料高温热物性测定,涡轮气动特性测试等。

       ② 石油工程多相流与测试技术研究部新建4套实验平台,分别是井筒流动与传热实验台、湿气两相流量测量技术实验台、POGO两相流实验系统、蒸汽水冷凝泡状流动实验平台,用以开发采油管道的隔热保温措施和先进的流量测量技术,开展气液两相流相分布特性及频响特性研究。

       ③ 可再生与替代能源及分布式动力系统研究部新建14套实验平台,分别是石英管微型釜式反应器、超临界水煤气化制氢批次反应系统、熔融盐与超临界水气化制氢耦合实验台、太阳能标准化测试系统、自然循环式太阳能聚光与光催化耦合制氢反应系统、光电化学耦合有机物降解系统、积分球式光催化反应测量系统、腔式太阳能吸热器热工水力学实验台、高温高压定容燃烧装置、激波管实验平台、平面激光诱导荧光燃烧诊断系统、激光喷雾测量系统、有机工质低温发电实验系统、城市污泥的超临界水处理机资源化利用系统,用来开展超临界、光催化/光电化学分解制氢及降污的研究、能量转换效率的测定,太阳能储存及氢能利用的研究,替代燃料燃烧火焰特性、燃烧动力学研究等。

       ④ 过程和系统节能与高新技术研究部新建5套实验平台,分别是柱状微结构表面流动喷射沸腾实验系统、表面活性剂减阻节能的尺度放大与强化换热实验系统、(逆布雷顿循环)制冷机实验台、热真空冷阱低温环境实验台、空气外掠多孔介质层的传质实验台,用于开展两相流动与强化传热特性及其应用、低温制冷机的研制及环境模拟实验等研究工作。

       ⑤ 通用理论与技术研究服务部新建5套实验平台,分别是制冷剂闪蒸喷雾冷却实验台、激光照射下血管热效应研究实验平台、光谱测量实验台、基于振动弦法的黏度/密度同时测量实验系统、材料及强化涂层抗高温高速固体颗粒冲蚀性能实验系统,用来开展生物医学工程多相流应用研究、开发物性测量系统、研究跨音速气固两相流动特性等。

       4、实验平台改造及功能拓展情况

       为进一步放大实验并进行工业化生产奠定基础,对某些技术成熟、能量转换效率较高的实验平台向中试系统转化;同时对一些已有的实验台进行了参数优化及功能拓展。

 

       三、公共测试平台建设情况

       实验室在重点实验室专项经费和“985”建设经费的大力支持下,购置了多套精良的大型仪器设备,完善了已有的多相流流场及相运动测试平台、多相流燃烧及产物分析测试平台、多相流体物性测试技术平台、能源催化材料的光电热性能表征与微多相流催化反应测试平台,为开展高水平教学科研工作提供了优良的硬件支撑。

       1)多相流流场及相运动测试平台

       新购仪器设备主要有粒子图像测速仪(PIV)、红外热成像仪、六通道热线测速仪、激光喷雾测量系统、微核磁共振分析仪、高压汽水两相含气率β/γ射线测量系统、脉冲染料激光器、动态信号采集和实时分析仪、高压质量流量计、GSE仿真软件、材料显微镜、高速数字摄像系统等。

       在流场测试方面,流场速度从已有的点、面测量,拓展到全场测量,测速范围可达0~500m/s,测径范围0.2um~5mm,很好地实现了宏观到微观的流场测试体系;相运动测量方面,实现了对特殊应用如高温、高压工况下的运行参数的测量及采集;可视化成像方面,平台应用从观察记录离散颗粒、液滴、气泡、相界面变化等多相流动,拓展至化工过程分析、火焰燃烧等领域,而且实现了对物体内部复杂结构进行无损的三维成像。

       上述精密测量仪器设备与平台已有的测试设备配合,可以在更为宽广的流动参数范围内开展多相流中离散颗粒、液滴、气泡、相界面等的形貌、尺寸、速度、浓度分布、运动轨迹等相关研究,为实验室各研究方向的流动基础数据测量提供完备的手段。

       2)多相流燃烧及产物分析测试平台

       新购仪器设备主要有激波管设备、等离子体原子发射光谱仪、全自动定量分析在线质谱仪、便携式FTIR气体分析仪、热分析系统、双腔高压高温定容燃烧装置等。

       在燃烧过程方面,通过测量气体或液体燃料的着火滞燃期,实现了对发动机设计和化学反应机理的关键性验证,定容燃烧最高压力也从原来10atm下的燃烧速度拓展到100atm;燃烧及产物分析测试方面,通过升级,可对燃烧产物进行更加全面的分析并提高测量精度,部分元素的分析精度达到了ng级,过渡金属样品测试下限达到了ppb级;同时也实现了含碳材料热解、燃烧、气化产物、工业尾气等的实时、在线、快速测量。

       上述精密测量仪器设备与平台已有的测试设备配合,可以实现对燃烧样品成分、燃烧火焰形貌及其温度、样品在燃烧过程中质量及其结构的变化、燃烧气体产物和固体颗粒产物的成分及其含量等进行较全面的测量,为提高实验室在化石燃料与替代燃料的燃烧与污染物排放控制、CO2减排、储存与循环利用、粉煤加压催化气化等主导方向的研究水平提供测试技术保障。

       3)多相流体物性测试技术平台

       新购精密测量仪器设备主要有可视化流变仪、热分析系统、频谱分析仪、数字相关仪、参考级数字万用表及校准器、动态信号分析仪、基准级压力检定系统、绝热加速量热仪、动态多组分气体/蒸气吸附分析仪、SOFC测试系统、全天候环境模拟实验平台、低温制冷机、Materials  Studio分子动力学模拟软件等。

       在传统物性测量方面,新设备的投入使用,不仅为平台提供了更为丰富的测试条件,而且实现了在更高热工参数范围内对工质物性进行更全面及精确的测量和分析结果;标准校准方面,测试平台从只能进行铂电阻温度计和热电偶校准,扩展到能够进行电学测量仪器和压力传感器等校准工作,保证实验室内所有测量仪器的准确可靠运行。光学物性测量方面,通过对实验平台中光学信号进行测量采集及处理,实现了动态光散射法测量流体热物理性质;新购的分子动力学软件,可应用在催化剂、聚合物、晶体与衍射、化学反应等材料和化学研究领域,其先进算法可以同X 射线衍射分析等仪器分析方法综合运用。

       上述精密测量仪器设备与平台已有的测试设备配合,不仅为温度、压力等测试设备提供高精度的校验装置,提高测量精度;同时可以对多相流体系中的液体、固体、气液的物性进行更为全面的测量,为多相流热物理学研究特别是石油替代燃料物性、氢迁移性质、石油/生物医学多相流等方向涉及的非牛顿流体流变特性等提供最基础的物性数据。

       4)能源催化材料的光电热性能表征与微多相流催化反应测试平台

       平台新购精密测量仪器设备主要有:X射线光电子能谱仪、扫描电子显微镜、全自动物理化学吸附仪、高分辨透射电子显微镜、元素分析仪、微波化学合成系统、球磨机、高温高压反应釜、电喷雾飞行时间质谱仪、时间分辨红外光谱仪、纳秒激光光路、原子力显微镜、实时在线红外分析系统、模拟太阳能标准化测试系统、场发射扫描电子显微镜等。

       在能源材料的表面形貌与结构、光物理和光化学特性表征方面,目前可以精确观察到样品在纳米甚至亚纳米量级上的表面微观形貌和内部的晶格参数、生长取向、晶体缺陷及部分特殊组分的分布,实现ns级动态光生载流子特性测定;在材料的组成含量分析及对光催化、光电化学、超临界反应微多相流体系的产物分析等方面,固相物质灵敏度低至0.1at%、元素范围扩展至Li,可以实现反应中间产物的跟踪和实时测定;在反应系统和能源材料制备方面,新增加设备实现了能源材料的批量制备和大体积超临界高温高压(1L,420Bar,600℃)的反应条件,大大提高了催化剂的制备筛选效率和实验参数的探索研究。

       完善后的测试表征平台可以完成对能源材料的观察从宏观延伸到微观甚至亚nm级,组分及价态从体相扩展到表面和界面,光电热等各方面的特性由静态转为研究动态光反应过程机理和光生载流子在反应过程中的迁移规律,并可完成微多相反应体系产物的动态分析跟踪标定,可以实现材料批量制备及反应的特殊条件,从而实现全方位的研究材料与其能源转化效率之间内在规律,并可延伸到工业催化、环境化工、电子材料、生物医学、高压绝缘等各个领域的测试分析和应用研究。

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