太陽(yáng)能相變蓄熱槽的數(shù)值模擬研究.pdf

1、能源問題是世界和中國(guó)經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展面臨的最嚴(yán)重的問題之一，常規(guī)能源的緊缺以及由此帶來(lái)的環(huán)境污染問題，直接影響到未來(lái)人類社會(huì)可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略的實(shí)施進(jìn)程。近年來(lái)國(guó)家出臺(tái)了一系列鼓勵(lì)開發(fā)新能源(如太陽(yáng)能)和電力“削峰填谷”的政策，這就為蓄能技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用提供了廣闊的前景。蓄熱槽作為蓄能系統(tǒng)的關(guān)鍵設(shè)備，其研制的重要性不言而喻。開發(fā)研制出一種經(jīng)濟(jì)合理、技術(shù)先進(jìn)的蓄熱槽將帶來(lái)顯著的經(jīng)濟(jì)效益、環(huán)境效益和社會(huì)效益。 本文的研究基于一種新型的太陽(yáng)能

2、相變蓄熱系統(tǒng)——它利用太陽(yáng)能作為主要能源，利用低谷電加熱作為輔助加熱系統(tǒng)，是未來(lái)太陽(yáng)能供熱系統(tǒng)的理想形式。本文重點(diǎn)對(duì)系統(tǒng)的核心——相變蓄熱槽進(jìn)行數(shù)值模擬研究。由于相變傳熱問題包括相的變化與熱傳導(dǎo)兩種物理過程，兩相之間存在一個(gè)移動(dòng)的相界面，在數(shù)學(xué)上是一個(gè)強(qiáng)非線性問題，并且還需要與載熱媒體耦合求解，這就更增加了相變傳熱分析的難度。目前的研究基本停留在處理恒定壁面溫度的情況，并且大部分都采用自編程序計(jì)算，程序的通用性比較差，不利于系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)

3、計(jì)。本文采用現(xiàn)代CFD設(shè)計(jì)軟件FLUENT，重點(diǎn)對(duì)單個(gè)球形蓄熱體以及板式換熱器熱媒體與蓄熱體耦合的情況進(jìn)行了數(shù)值模擬研究，研究的主要內(nèi)容和成果如下： 1)對(duì)適用于太陽(yáng)能蓄熱系統(tǒng)的相變材料進(jìn)行了篩選；對(duì)相變傳熱的數(shù)值求解的方法進(jìn)行了分析，提出了FLUENT模擬相變問題的要點(diǎn)。 2)建立了球型相變蓄熱體的物理和數(shù)學(xué)模型，模擬了不同壁面溫度和不同直徑蓄熱體相變材料的凝固和熔化過程(共20種工況)，得到了在第一類邊界條件下蓄冷球

4、凝固過程的溫度場(chǎng)分布，相界面移動(dòng)規(guī)律，以及凝固時(shí)間與壁面溫度和球徑的線性關(guān)系。 3)在不考慮相變區(qū)域自然對(duì)流的情況下，對(duì)太陽(yáng)能板式換熱器熱媒體與蓄熱體耦合問題進(jìn)行了數(shù)值模擬研究模型，并與前人的結(jié)果對(duì)比驗(yàn)證，結(jié)果非常吻合。然后，首次考慮了相變區(qū)域自然對(duì)流，模擬得到了熱媒體出口溫度、相變區(qū)域溫度場(chǎng)、相界面等隨時(shí)間的變化關(guān)系，并分析了自然對(duì)流對(duì)凝固過程的影響。 本文采用CFD軟件模擬球型蓄熱體釋放熱過程和相變耦合問題的方法，目