针翅管式相变蓄热换热性能的数值模拟

论文摘要

当今能源危机和环境污染已成为社会发展面临的两大难题,开发利用可再生能源与工业废热对节能和环保具有重要的现实意义。蓄能技术由于能够解决热能的供给与需求在时间和空间上的不匹配,而成为合理利用能源、减轻环境污染的有效途径。相变蓄热由于具有蓄热密度大、蓄放热温度恒定、容易控制等优点,已成为热能利用的新热点。但是,大多数相变材料(特别是目前用的较多的有机相变材料)的导热系数都很低,换热性能差,使相变储热装置无法快速地进行热量的储存和释放。因而必须采用强化传热措施来改善其传热性能。三维整体针翅管由于其具有大的扩展表面比,且无接触热阻、可批量机加工生产、成本低等优点,在换热设备中有广泛的应用。而采用针翅管强化相变传热的研究至今未见报道。本文建立三维针体针翅管相变传热过程的物理、数学模型,并进行了相应的数值模拟计算,探索结构和运行参数对相变传热的影响规律,具有重要工程实际意义和学术价值。研究结果概括如下:①首先对光管套管式蓄热体在第一类边界条件下的相变过程进行数值模拟研究,将计算结果与实验数据作比较,验证计算模型和计算方法的正确性;分析了自然对流对蓄放热过程的影响,结果表明:(1)融化过程中,受自然对流的影响,相变区域顶部融化较快,等温线向顶部斜倾;(2)自然对流在融化和凝固过程中的作用不同,在融化过程中加快融化速度,而在凝固过程中则减慢凝固速度。②采用数值方法模拟了相变材料在三维整体针翅管结构中融化的瞬态三维传热问题,揭示了在第一类边界条件下相变材料融化过程的界面移动规律;并与光管相比,以说明针翅的强化传热作用。对影响该新型相变蓄热设备性能的几何参数也进行了研究。结果表明:(1)针翅管的换热效果优于光管,翅管的换热效率大约是光管的3倍;(2)随着针翅管的针翅高度、宽度、厚度、每圈针翅数的增多,蓄热介质完成相变的融化时间都有不同程度的减少,尤以针翅高度的影响最为明显,针翅厚度影响最小,针翅间距对蓄热器的蓄热特性也有较大影响,间距增大,融化时间增大。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 1 绪论
• 1.1 研究的背景及意义
• 1.1.1 引言
• 1.1.2 课题的背景
• 1.1.3 课题的意义
• 1.2 国内外研究现状
• 1.2.1 相变机理
• 1.2.2 相变换热数值模拟研究进展
• 1.2.3 相变蓄热器的结构设计及强化换热技术
• 1.3 本文研究的主要内容
• 2 相变蓄热理论及求解方法
• 2.1 引言
• 2.2 相变传热过程的特点
• 2.3 固液相变问题的数值求解解法
• 2.3.1 求解方法综述
• 2.3.2 有限体积法的基本理论
• 2.4 相变传热的数学模型
• 2.5 相变问题的数值模拟
• 2.5.1 FLUENT 简介
• 2.5.2 前处理软件（Gambit ）
• 2.5.3 求解器（Fluent）
• 2.5.4 FLUENT 凝固和融化模型
• 2.6 本章小结
• 3 水平光管相变换热的数值模拟
• 3.1 引言
• 3.2 物理模型的建立
• 3.3 数学模型的建立
• 3.3.1 相变区域
• 3.3.2 换热管区域
• 3.3.4 边界条件
• 3.3.5 初始条件
• 3.4 数值求解方法
• 3.5 计算结果分析
• 3.5.1 融化过程分析
• 3.5.2 凝固过程分析
• 3.5.3 计算结果与试验数据的对比分析
• 3.6 本章小结
• 4 针翅管相变蓄热换热的数值模拟
• 4.1 引言
• 4.2 计算模型
• 4.3 数学模型
• 4.3.1 相变区域
• 4.3.2 换热管区域
• 4.3.3 边界条件
• 4.3.4 初始条件
• 4.4 数值模拟网格及求解
• 4.5 计算结果及分析
• 4.5.1 换热温差影响分析
• 4.5.2 周向针翅数的影响
• 4.5.3 针翅高度的影响
• 4.5.4 针翅厚度的影响
• 4.5.5 针翅宽度的影响
• 4.5.6 针翅轴向间距的影响
• 4.7 本章小结
• 5 结论与课题展望
• 5.1 研究总结
• 5.2 展望
• 致谢
• 参考文献
• 附录
• 作者在攻读硕士学位期间发表的论文目录