CAES向心涡轮叶顶间隙多元流动控制及系统耦合调节研究

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AI项目解读

基本信息

  • 批准号：
    51806211
  • 项目类别：
    青年科学基金项目
  • 资助金额：
    25.0万
  • 负责人：
    王星
  • 依托单位：
    中国科学院工程热物理研究所
  • 学科分类：
    E0601.工程热力学
  • 结题年份：
    2021
  • 批准年份：
    2018
  • 项目状态：
    已结题
  • 起止时间：
    2019-01-01 至2021-12-31

项目摘要

Radial turbine is a key work output device in compressed air energy storage (CAES) system. Reducing flow loss in tip clearance has great influence on the efficiency improvement of radial turbine even CAES system. In the present project, radial turbine in a MW level compressed air energy storage system is selected as a research object. A new flow control structure, which is aimed at the “scraping flow- tip leakage flow” in blade tip clearance, is proposed based on the coupling of “case jet” and “non-smooth surface structure”. A three dimensional CFD model of radial turbine with multi-coupling flow control structure, a new analysis platform based on system thermodynamics analysis and radial turbine’s design theory is proposed. Multi-objective genetic algorithm and experimental measurement are also adopted. The influence mechanism of multi-coupling flow control on the tip clearance loss of radial turbine is revealed. Optimal coupling mode for “case jet” and “non-smooth surface structure” is proposed, and he variation of optimal multi-factor coupling flow control parameters with operation condition is identified. Based on the multi-factor coupling flow control, a new radial turbine design method and high efficient regulation strategy of CAES system are also proposed. The present project extents the application of flow control theory into thermodynamic system, promotes the development of multi-coupling flow control theory, provides new design method of new efficient radial turbine, and finally promotes the utilization of renewable energy.
向心涡轮是压缩空气储能（CAES）系统核心做功部件，减少叶顶间隙流动损失对提高向心涡轮乃至CAES系统效率具有重要意义。本课题以MW级CAES系统向心涡轮为研究对象，针对叶顶间隙特殊的“刮削流-泄漏流”多元流场损失特征，提出减阻非光滑表面结构与入射控制气流耦合的多元流动控制方法。通过向心涡轮的三维多元流动控制计算流体动力学（CFD）模型、“系统热力学-向心涡轮设计”耦合分析平台，采用多目标遗传优化算法以及实验测量，揭示多元耦合流动控制对叶顶间隙流动损失影响机理，获得“减阻非光滑表面结构—机匣射流控制气”多元耦合机理及模式，明确多元流动控制最优参数随CAES系统工况点变化规律，发展并提出基于多元流动控制的新型向心涡轮设计方法和CAES系统高效运行调节策略。本课题拓展了流动控制理论在热力学系统工程中的应用，推动了多元耦合流动控制理论发展，为新型高效向心涡轮设计提供新思路，促进可再生能源利用的发展。

结项摘要

向心涡轮是压缩空气储能（CAES）系统核心做功部件，减少叶顶间隙流动损失对提高向心涡轮以及CAES系统的运行效率具有重要意义。本课题以MW级CAES系统向心涡轮为研究对象，针对叶顶间隙特殊的“刮削流-泄漏流”多元流场损失特征，提出了基于机匣非光滑表面结构、三维叶片造型等相互耦合的多元流动控制方法，依次研究了多元控制参数对向心叶轮叶顶间隙泄漏流控制机理；高效率向心涡轮多元流动控制参数耦合模式；集成多元流动控制的新型压缩空气储能向心涡轮优化设计；基于向心涡轮流动控制的储能系统高效宽工况运行策略。提出了向心涡轮三维多元流动控制计算流体动力学（CFD）模型、构建了基于响应面模型和遗传优化算法的向心涡轮多元耦合流动控制参数优化设计平台，揭示了叶顶间隙形态、机匣减阻沟槽、机匣射流、基于NACA型线的叶片几何结构等流动控制结构对叶顶间隙泄漏流损失影响机理，提出了“机匣非光滑沟槽结构—NACA型线叶片”耦合流动控制结构并揭示了其损失控制机理及最优参数组合，使向心涡轮设计点效率可提高0.9%左右。研究了基于多元流动控制的CAES向心涡轮低负荷条件下变频高效运行调节策略，分析表明该方法使低负荷工况下的向心涡轮效率提高5%以上。本课题拓展了流动控制理论在热力学系统工程中的应用，推动了多元耦合流动控制理论发展，为新型高效向心涡轮设计提供新思路，促进可再生能源的利用发展，推动了“碳达峰、碳中和“目标的实现。

项目成果

期刊论文数量（6）
专著数量（0）
科研奖励数量（0）
会议论文数量（3）
专利数量（5）
Flow analysis and performance improvement of a radial inflow turbine with back cavity under variable operation condition of compressed air energy storage
压缩空气储能变工况下后腔径流式涡轮流动分析及性能改进
  • DOI：
    10.1002/er.4425
  • 发表时间：
    2019-04
  • 期刊：
    International Journal of Energy Research
  • 影响因子：
    4.6
  • 作者：
    Xing Wang;Wen Li;Xuehui Zhang;Yangli Zhu;Haisheng Chen
  • 通讯作者：
    Haisheng Chen
Effect of chamber roughness and local smoothing on performance of a CAES axial turbine
室粗糙度和局部平滑对 CAES 轴流式涡轮机性能的影响
  • DOI：
    10.1016/j.renene.2021.01.133
  • 发表时间：
    2021-02
  • 期刊：
    Renewable Energy
  • 影响因子：
    8.7
  • 作者：
    Xing Wang;Xuehui Zhang;Zhitao Zuo;Yangli Zhu;Wen Li;Haisheng Chen;Yulong Ding
  • 通讯作者：
    Yulong Ding
Coupling optimization of casing groove and blade profile for a radial turbine
径流式水轮机机匣沟槽与叶片型线耦合优化
  • DOI：
    10.1177/0957650921996841
  • 发表时间：
    2021-02
  • 期刊：
    Proc IMechE Part A: J Power and Energy
  • 影响因子：
    --
  • 作者：
    Xing Wang;Wen Li;Xuehui Zhang;Haisheng Chen
  • 通讯作者：
    Haisheng Chen
Leakage flow characteristic of radial inflow turbine adopted in CAES system: Review on progress
CAES系统径流式水轮机漏流特性：进展回顾
  • DOI：
    10.1177/09544062211027602
  • 发表时间：
    2021-08
  • 期刊：
    Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers, Part C: Journal of Mechanical Engineering Science
  • 影响因子：
    --
  • 作者：
    Xing Wang;Xuehui Zhang;Yangli Zhu;Ziyi Shao;Wen Li;Haisheng Chen
  • 通讯作者：
    Haisheng Chen
Effect of blade tip leakage flow on erosion of a radial inflow turbine for compressed air energy storage system
叶尖泄漏流对压缩空气储能系统径流式涡轮机腐蚀的影响
  • DOI：
    10.1016/j.energy.2019.04.139
  • 发表时间：
    2019-07
  • 期刊：
    Energy
  • 影响因子：
    9
  • 作者：
    Wang Xing;Zhang Xuehui;Zhu Yangli;Zhang Xinjing;Li Wen;Chen Haisheng
  • 通讯作者：
    Chen Haisheng

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其他文献

表面织构化聚酰亚胺薄膜超声电机摩擦材料性能研究
  • DOI：
    10.16581/j.cnki.issn1671-3206.20170714.002
  • 发表时间：
    2017
  • 期刊：
    应用化工
  • 影响因子：
    --
  • 作者：
    王丰;丁庆军;赵盖;王星
  • 通讯作者：
    王星
岛礁吹填珊瑚砂力学行为与颗粒破碎特性试验研究
  • DOI：
    10.16285/j.rsm.2020.0596
  • 发表时间：
    2020
  • 期刊：
    岩土力学
  • 影响因子：
    --
  • 作者：
    吴杨;崔杰;李能;王星;吴毅航;郭舒洋
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  • 发表时间：
    2021
  • 期刊：
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  • 影响因子：
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  • 作者：
    陈有荣;颜昕;叶景;原福贞;官剑;宋士堂;王星;余家阔
  • 通讯作者：
    余家阔
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  • DOI：
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  • 发表时间：
    2021
  • 期刊：
    中华传染病杂志
  • 影响因子：
    --
  • 作者：
    张雨琪;郑海香;丁明珠;施佳健;王星
  • 通讯作者：
    王星
水稻种子内生泛菌(Pantoea spp.)系统发育多样性及其促生功能
  • DOI：
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  • 发表时间：
    2019
  • 期刊：
    微生物学报
  • 影响因子：
    --
  • 作者：
    郭鹤宝;何山文;王星;章俊;张晓霞
  • 通讯作者：
    张晓霞

其他文献

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课题项目：调控A型流感病毒诱导IFN-β表达的机制研究

AI项目摘要：

本研究聚焦于TRIM2蛋白在A型流感病毒诱导的IFN-β表达中的调控机制。A型流感病毒是全球性健康问题，其感染可导致严重的呼吸道疾病。IFN-β作为关键的抗病毒因子，其表达水平对抗病毒防御至关重要。然而，TRIM2如何调控IFN-β的表达尚未明确。本研究假设TRIM2通过与病毒RNA或宿主因子相互作用，影响IFN-β的产生。我们将采用分子生物学、细胞生物学和免疫学方法，探索TRIM2与A型流感病毒诱导IFN-β表达的关系。预期结果将揭示TRIM2在抗病毒免疫反应中的作用，为开发新的抗病毒策略提供理论基础。该研究对理解宿主抗病毒机制具有重要科学意义，并可能对临床治疗流感病毒感染提供新的视角。

AI项目思路：

科学问题：TRIM2如何调控A型流感病毒诱导的IFN-β表达？
前期研究：已有研究表明TRIM2参与抗病毒反应，但其具体机制尚不明确。
研究创新点：本研究将深入探讨TRIM2在IFN-β表达中的直接作用机制。
技术路线：包括病毒学、分子生物学、细胞培养和免疫检测技术。
关键技术：TRIM2与病毒RNA的相互作用分析，IFN-β启动子活性检测。
实验模型：使用A型流感病毒感染的细胞模型进行研究。

AI技术路线图

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          A[研究起始] --> B[文献回顾与假设提出]
          B --> C[实验设计与方法学准备]
          C --> D[A型流感病毒感染模型建立]
          D --> E[TRIM2与病毒RNA相互作用分析]
          E --> F[TRIM2对IFN-β启动子活性的影响]
          F --> G[IFN-β表达水平测定]
          G --> H[TRIM2功能丧失与获得研究]
          H --> I[数据收集与分析]
          I --> J[结果解释与科学验证]
          J --> K[研究结论与未来方向]
          K --> L[研究结束]
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