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太阳能相变蓄热槽的数值模拟研究

熊辉东  
【摘要】:能源问题是世界和中国经济社会发展面临的最严重的问题之一,常规能源的紧缺以及由此带来的环境污染问题,直接影响到未来人类社会可持续发展战略的实施进程。近年来国家出台了一系列鼓励开发新能源(如太阳能)和电力“削峰填谷”的政策,这就为蓄能技术的发展和应用提供了广阔的前景。蓄热槽作为蓄能系统的关键设备,其研制的重要性不言而喻。开发研制出一种经济合理、技术先进的蓄热槽将带来显著的经济效益、环境效益和社会效益。 本文的研究基于一种新型的太阳能相变蓄热系统——它利用太阳能作为主要能源,利用低谷电加热作为辅助加热系统,是未来太阳能供热系统的理想形式。本文重点对系统的核心——相变蓄热槽进行数值模拟研究。由于相变传热问题包括相的变化与热传导两种物理过程,两相之间存在一个移动的相界面,在数学上是一个强非线性问题,并且还需要与载热媒体耦合求解,这就更增加了相变传热分析的难度。目前的研究基本停留在处理恒定壁面温度的情况,并且大部分都采用自编程序计算,程序的通用性比较差,不利于系统的优化设计。本文采用现代CFD设计软件FLUENT,重点对单个球形蓄热体以及板式换热器热媒体与蓄热体耦合的情况进行了数值模拟研究,研究的主要内容和成果如下: 1)对适用于太阳能蓄热系统的相变材料进行了筛选;对相变传热的数值求解的方法进行了分析,提出了FLUENT模拟相变问题的要点。 2)建立了球型相变蓄热体的物理和数学模型,模拟了不同壁面温度和不同直径蓄热体相变材料的凝固和熔化过程(共20种工况),得到了在第一类边界条件下蓄冷球凝固过程的温度场分布,相界面移动规律,以及凝固时间与壁面温度和球径的线性关系。 3)在不考虑相变区域自然对流的情况下,对太阳能板式换热器热媒体与蓄热体耦合问题进行了数值模拟研究模型,并与前人的结果对比验证,结果非常吻合。然后,首次考虑了相变区域自然对流,模拟得到了热媒体出口温度、相变区域温度场、相界面等随时间的变化关系,并分析了自然对流对凝固过程的影响。 本文采用CFD软件模拟球型蓄热体释放热过程和相变耦合问题的方法,目前国内外还未见报道。本文所建立的相变耦合问题的模拟方法对未来该问题的研究有着重要的参考价值,并将对太阳能相变蓄热槽的优化设计带来极大地方便。


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