海水—卤水太阳池热性能研究和梯度层动力稳定性分析

论文摘要

随着人口的激增和工业的迅速发展，能源短缺问题日益严重，太阳能是最理想的能源之一。盐梯度太阳池作为太阳能利用的一种形式，兼有对太阳辐射能的吸收和储存作用，不仅是当今传统能源的重要补充，更是未来太阳能应用的重要形式。本文以盐梯度太阳池为研究对象，从实验和理论两个方面进行分析。各部分主要工作及结论总结如下：建立了表面积2．8×2．3m2深0．8m的实验太阳池，结合室内和室外小型实验，对实验太阳池的温度、盐度发展以及浊度分布进行了实验测定。第一次实验于2006年8月份开始，在运行后第17天达到最高温度45．7℃，与同类实验研究结果比较，本实验太阳池具有较好的升温效果。卤水的透光性较差，直接影响太阳池对太阳辐射的吸收。从两方面研究了卤水灌注太阳池的浊度变化：一是研究卤水降浊处理后，卤水中藻类的再滋生情况；另一方面比较了雨水分别降落到卤水和盐水太阳池中后池内浊度的变化。实验表明絮凝降浊对苦卤中藻类的生长有一定的抑制作用，雨水在卤水中的沉降速度明显低于在盐水中的沉降速度。为提高太阳池储热层温度，在一系列模拟实验结果的基础上，提出在太阳池底部添加锅炉渣的方法。从三个方面进行研究：在模拟的小型太阳池中的一系列实验研究，结果表明，底部添加材料的多孔性有利于太阳池储热层温度升高，与鹅卵石等石材相比，锅炉渣的升温和保温作用更好。后来在实验太阳池内的实验也证明了这一点；采用一维模型模拟大面积太阳池添加锅炉渣床的温度发展，考虑多孔介质层的孔隙率和厚度对热性能的影响，结果表明孔隙率减小或厚度增加有利于储热层温度增高；最后在实验太阳池内进行了为期近一个月的实验。从太阳池提取热量并加以应用是建立太阳池的最终目的。本文利用实验太阳池加热淡水，进行了短期换热实验。在实验太阳池底部添加锅炉渣的基础上，于2007年8月份进行了提热实验。对一个容积为56L的淡水桶中的淡水加热，连续两天的提热实验结果表明，第一天水桶中的水温度最高达到38．4℃。理论方面，对于客观条件一定的太阳池给出最佳水箱容积的计算方法。盐梯度层是太阳池最重要的组成部分，太阳池的热性能主要取决于该层的稳定性。文章最后主要对梯度层的稳定性进行了分析。在线性稳定性分析的基础上，采用数值方法，得出梯度层的非线性动力稳定性的数值解。分析了太阳辐射吸收和提热量对于稳定性的影响以及二者的综合影响：当梯度层的盐水比较清澈时，提热量的大小对于临界稳定性Rac的大小影响较大，而池水比较浑浊时，提热量的大小对于稳定性的影响较小；盐梯度层的非线性稳定性问题不能够采用分析的方法求解，根据变步长四阶Runge-Kutta-Merson方法进行非线性稳定性分析，二维温度、盐度和速度场表明线性分析得到的临界稳定性瑞利数（Rac）能够很好地界定了系统的渐进稳定性状态。根据Nusselt数确定的临界稳定性瑞利数RaN略大于线性稳定性分析得到的临界瑞利数Rac，当盐瑞利数Rs在105和106数量级上，RaN与Rac的差距仅为1％左右。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 绪论
• 1.1 课题研究背景
• 1.2 盐梯度太阳池
• 1.2.1 太阳的三层结构
• 1.2.2 太阳池的特点
• 1.2.3 太阳池的应用
• 1.3 盐梯度太阳池实验研究进展
• 1.3.1 实验研究
• 1.3.2 旨在提高太阳池储热层温度的研究
• 1.3.3 从太阳池提取热量的研究
• 1.4 理论研究
• 1.4.1 温度和盐度扩散的预测
• 1.4.2 盐梯度太阳池梯度层的动力稳定性研究
• 1.5 本文的主要内容
• 2 太阳池实验
• 2.1 太阳池的建造和结构
• 2.2 太阳池的灌注
• 2.3 实验过程及方法
• 2.3.1 测定仪器
• 2.3.2 实验方法及日常维护
• 2.4 温度实验结果
• 2.4.1 LCZ温度的长期发展
• 2.4.2 温度的昼夜变化
• 2.4.3 沿深度方向的温度分布
• 2.5 太阳池内浊度的控制及发展
• 2.6 卤水太阳池水浊度的实验研究
• 2.6.1 卤水的降浊处理及降浊后卤水中浮游藻类的再滋生
• 2.6.2 雨水在卤水和盐水中的沉降
• 2.7 本章小结
• 3 考虑侧墙阴影影响的瞬态热性能预测
• 3.1 太阳辐射强度计算
• 3.2 侧墙阴影的影响
• 3.3 一维数值模拟
• 3.3.1 边界条件
• 3.3.2 控制方程及其离散
• 3.3.3 其他物理参数表达式
• 3.3.4 稳定性
• 3.3.5 结果与讨论
• 3.4 二维数值模拟
• 3.4.1 控制方程及其离散求解
• 3.4.2 算例
• 3.5 二维计算结果与实验结果的比较
• 3.5.1 盐度发展
• 3.5.2 温度发展
• 3.6 本章小结
• 4 底面添加锅炉渣床对增加储热层温度的作用
• 4.1 小型模拟实验
• 4.1.1 实验方法
• 4.1.2 底面处理方式的影响
• 4.1.3 不同材料的实验结果
• 4.1.4 锅炉渣作为添加材料的较长期实验
• 4.2 多孔介质对储热层传热传质和太阳辐射吸收的影响
• 4.2.1 多孔介质层的有效导热系数
• 4.2.2 多孔介质对传质的影响
• 4.2.3 太阳辐射在多孔介质层中的衰减
• 4.3 太阳池内的一维温度发展预测
• 4.3.1 各层能量平衡方程
• 4.3.2 模拟结果与小型实验结果的对比
• 4.3.3 算例
• 4.4 在太阳池中的实验
• 4.4.1 实验方法
• 4.4.2 结果与讨论
• 4.5 本章小结
• 5 从太阳池提取热量提供热水的实验和理论研究
• 5.1 实验
• 5.1.1 实验装置及实验过程描述
• 5.1.2 实验结果
• 5.2 换热过程的理论分析
• 5.2.1 换热器性能
• 5.2.2 太阳池温度计算
• 5.2.3 水箱温度和容积的估计
• 5.2.4 热效率
• 5.2.5 算例
• 5.3 本章小结
• 6 太阳池盐梯度层的流体动力稳定性分析
• 6.1 控制方程的无量纲化及其弱解形式
• 6.1.1 方程的无量纲化
• 6.1.2 根据Galerkin方法求方程的弱解形式
• 6.2 根据特征值判断的临界条件
• 6.2.1 稳定性的临界条件
• 6.2.2 振荡解
• c的影响'>6.3 消光系数μ和提热量f对Ra^c的影响
• c的影响'>6.3.1 消光系数μ对Ra^c的影响
• c的影响'>6.3.2 辐射吸收对Ra^c的影响
• c的综合影响'>6.3.3 消光系数μ与提热量f对Ra^c的综合影响
• 6.4 非线性方程的数值解
• 6.4.1 数值求解方法
• 1×a₂和c₁在各区内的相轨迹图'>6.4.2 a₁×a₂和c₁在各区内的相轨迹图
• c附近的温度、盐度和速度场分布'>6.4.3 在Ra^c附近的温度、盐度和速度场分布
• 6.4.4 努塞尔数（Nusselt）的计算
• 6.5 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 附录A Galerkin方法求偏微分方程的弱解形式
• 附录B Routh-Hurwitz法则判断常微分方程组零解的渐进稳定性
• 附录C 主要符号说明
• 攻读博士学位期间发表学术论文情况
• 创新点摘要
• 致谢
• 作者简介