铝基合金高温相变储热系统的数值模拟

论文摘要

太阳能是巨大的能源宝库,具有清洁无污染、取用方便的特点,但受到地理、昼夜和季节等规律性变化的影响,以及阴晴云雨等随机因素的制约。为了保持供热或供电装置稳定不间断地运行,热能的储存技术日益引起人们的重视。金属基相变储热材料具有储能密度大,过冷度小,导热率高,反复相变后长期性能稳定,过程易控制等特点,因而在高温储热方面具有广泛的用途。本文根据太阳能热发电系统工作温度为400-800℃的具体要求,结合已有的研究成果,选取课题组设计并制备的铝合金相变储热材料中的Al-Si系列铝合金。运用金相显微技术、综合热分析技术等手段,对其金相组织、密度、相变温度、单位质量材料的相变潜热等性能进行了研究。Al-Si系列的铝合金储热材料单位质量相变潜热较高,其中铝硅共晶成分的铝合金单位质量相变潜热最高,约为450J/g。本文以储热系统设计为基础,利用ANSYS10.0建立了储热室隔热壁二维、三维有限元模型,对储热室隔热性能进行了数值模拟,并对二维和三维分析结果进行比较。本文还针对以装有储热材料Al-Si合金的钢管为储热单元为研究对象,建立三维有限元模型并对其进行瞬态分析并对结果进行分析。本文以储热室隔热分析结果为基础,利用Visual Basic6.0对ANSYS分析过程进行程序二次开发,得到储热室隔热分析ANSYS程序调用模块,实现了从外部直接修改各种参数并调用ANSYS程序进行模拟的功能。本文还利用二次开发得到的模块,对比参数修改前后的模拟结果。研究结果表明:铝硅合金储热密度高、相变潜热大,在太阳能高温储热方面具有很大的前景;基于ANSYS的储热室隔热分析与理论计算结果非常吻合,对储热室结构设计起到了很好的辅助作用;基于VB的ANSYS程序二次开发实现了程序外部调用功能,通过对参数的修改实现了从一种材料得到多种材料分析的目的。本文的研究成功为下一步对储热室的模拟及实际建立打下了基础,该储热系统及二次开发模块具有很大的开发潜力。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 概述
• 1.1.1 太阳能热发电简介
• 1.1.2 储热技术
• 1.1.3 数值模拟
• 1.2 储热材料的应用
• 1.2.1 显热储热材料
• 1.2.2 化学反应储热材料
• 1.2.3 潜热储热材料
• 1.3 本课题的国内外研究现状
• 1.4 有限单元法介绍
• 1.4.1 有限元法要点
• 1.4.2 有限元法特性
• 1.4.3 有限元法的发展
• 1.4.4 有限元的计算机软件
• 1.5 ANSYS软件简介
• 1.5.1 ANSYS主要功能
• 1.5.2 ANSYS前处理（Preprocessor）
• 1.5.3 ANSYS加载求解（Solution）
• 1.5.4 ANSYS后处理（General Postproc & TimeHist Postpro）
• 1.5.5 ANSYS热分析简介
• 1.6 本课题的研究目标及研究内容
• 1.6.1 研究目标
• 1.6.2 研究内容
• 第二章 相变储热材料Al-Si合金的制备
• 2.1 Al-Si合金相图
• 2.2 Al-Si合金的制备与金相组织观察
• 2.2.1 实验仪器
• 2.2.2 合金的制备方法
• 2.2.3 金相试样的制备
• 2.3 实验结果与数据分析
• 2.3.1 金相显微分析图
• 2.3.2 差式扫描量热仪（DSC）
• 2.3.3 DSC测量结果
• 第三章 基于ANSYS的有限元模拟
• 3.1 热分析基础知识
• 3.1.1 热力学基本原理
• 3.1.2 稳态热分析
• 3.1.3 瞬态热分析
• 3.1.4 相变分析
• 3.2 对储热室壁的隔热分析
• 3.2.1 模型描述
• 3.2.2 二维分析
• 3.2.3 三维分析
• 3.2.4 分析结果比较
• 3.3 对储热铝合金材料与管道及空气热传递的模拟分析
• 3.3.1 模型描述
• 3.3.2 单管三维模拟
• 3.4 本章小结
• 第四章 基于VB的ANSYS二次开发
• 4.1 APDL命令概述
• 4.1.1 APDL的特点
• 4.1.2 APDL文件的生成
• 4.2 Visual Basic简介
• 4.3 利用VB对ANSYS进行二次开发步骤
• 4.3.1 分析模型定义部分信息
• 4.3.2 制作二次开发的界面
• 4.3.3 产生相应的命令流
• 4.3.4 调试程序
• 4.4 修改结果比较
• 第五章 结论
• 参考文献
• 附录一
• 附录二
• 致谢