太阳能热水器贮热水箱内混水特性的数值模拟分析

论文摘要

贮热水箱作为贮存热量的装置,在使用时能从中取出多少有用热量是衡量水箱设计及取水方式优劣的重要因素。在常见的顶水式取水方式中,由于从底部进入的冷水和贮热水箱中的热水发生混水,减少了有用热量,因而研究贮热水箱取水时的瞬时运行特性,可优化水箱设计及取水方式,提高热量使用效率。本文主要工作是针对在动态负荷条件下,对水箱内的混水特性进行非稳态数值模拟研究。本文采用了目前国际上比较流行的ICEM对计算区域生成计算网格,并采用了RNG k-ε模型对水箱内的混水特性进行非稳态数值模拟研究；定义了一个参数（卷积因子）来判断水箱内混水程度的大小；并分析计算了速度和温度不同时取出的有用能。通过对不同进水速度、不同进水温度工况下水箱内的混水特性进行数值模拟的结果进行分析比较,得到如下结论：1、进水速度越大,卷积因子越大,水箱内的混水程度越严重；2、进水温度与水箱内的初场温度温差越大,卷积因子越大,水箱内的混水程度越严重；3、混水程度越重,水箱内可取出的有用热量越少,热量损失越大;4、在进水速度很小的情况下,水箱出水口位置以上的能量较难取出,而在进水速度较大的情况下,出水口位置以上的水会与出水口位置以下的水发生相互掺混,因此,在出水口位置以上的能量可以被取出,但这部分热量相对于在混水时损失的热量来说很小,因此,混水程度的大小是决定有用热量的主要因素；5、与进水温度相比,进水速度是影响卷积因子的主要因素,进水温度对卷积因子的影响相对较小；6、根据数值模拟的结果,画出了不同工况下的放水曲线,根据放水曲线图我们发现,放水过程分为三个阶段：高温稳定阶段、出水口温度快速降低阶段和低温稳定阶段,各个阶段持续时间的长短与进水速度和进水温度有直接的关系；7、定义了不同工况下,水箱放出的有用热量的公式,并计算了各个工况下的水箱放出的有用热量。最后对不同工况下水箱的混水特性进行总结,为改善太阳能热水器的工程设计和制定更为科学的质量检测标准提供参考。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 符号说明
• 第1章 绪论
• 1.1 研究意义
• 1.2 国内外研究现状
• 1.3 本文的主要研究内容及目的
• 1.4 本文的研究方法
• 1.5 本研究的创新点
• 第2章 CFD简介
• 2.1 CFD的基本原理
• 2.2 CFD的发展
• 2.3 CFD的特点
• 2.4 有限体积法原理
• 2.4.1 有限体积法的基本思想
• 2.4.2 有限体积法的特点
• 2.4.3 有限体积法常用的离散格式
• 2.5 FLUENT软件简介
• 2.6 湍流模型
• 2.6.1 Reynolds平均法（RANS）简介
• 2.6.2 RNG k-ε模型
• 2.6.3 壁面函数法
• 2.7 区域离散
• 2.7.1 网格
• 2.7.2 生成网格的过程
• 2.8 控制方程的离散
• 2.9 PISO算法
• 第3章 混水特性模拟
• 3.1 定义物理模型
• 3.2 几何模型和网格划分
• 3.3 模型的简化和假设
• 3.4 计算模型
• 3.5 控制方程
• 3.6 计算的设置
• 3.7 数据后处理
• 第4章 数值模拟过程、结果
• 4.1 模拟的过程
• 4.2 水箱内混水情况的模拟结果
• 4.2.1 不同进水速度
• 4.2.2 不同进水温度
• 第5章 水箱内混水程度大小的分析
• 5.1 卷积因子
• 5.1.1 进水速度对卷积因子的影响
• 5.1.2 进水温度对卷积因子的影响
• 5.2 贮热水箱有用热量的分析
• 5.2.1 放水曲线
• 5.2.2 不同工况下有用热量的定量分析
• 第6章 结论及对未来研究的展望
• 6.1 结论
• 6.2 对未来工作的展望
• 参考文献
• 攻读学位期间发表的学术论文和研究成果
• 致谢