《太阳能相变蓄热》word版

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1、管壳式相变蓄热数值模拟娄载强孟朋陈清文贾国亮摘要：对方形槽内水平圆管外伴有对流的相变传热问题建立数学模型及其定解条件，通过fluent模拟给出温度场和固液相界面随时间的变化情况，最后分析了不同管壁温度对温度场和相变的影响。关键词:相变传热；fluent模拟；温度场；管壁温度TheNumericalSimulationofLatentHeatStorageProblemaroundTubeAbstract：Themathematicalmodelforphasechangeheattransferaroundahorizontaltube

2、inarectangulargroove,whichisvalidatedbyexperimentaldata,anditsboundaryconditionshavebeendeveloped.Thechangesoftemperaturefieldaroundthetubeandsolid-liquidinterfacewithtime,aswellastheeffectofwalltemperaturearepresentedwithfluentsimulation.Keywords:phasechangeheattransfer

3、;fluentsimulation;temperaturefield;walltemperature1引言能源及环境问题成为当前人类发展中最重要的两个问题，能源日趋紧张，使用化石能源带来环境污染，这些促使人们对新能源利用产生强烈需求。以太阳能、风能为代表的新能源具有清洁、可再生等优点，对人类的可持续发展有重要的意义。但新能源一般都有间歇性和不稳定性等缺点，在应用中与需求方在时间和空间上往往存在不匹配的问题，这使其大规模应用受到了严重地限制，能量储存是缓解这个问题的关键技术，其中热能是能源转化和利用中最重要的形式，所以研究高效的蓄热技术具

4、有非常重要的地位。管壳式相变蓄热器，这种蓄热器形式特点是单位体积内填充相变材料量大、热损失小，且技术最为成熟，所以在工程应用中大量使用。管壳式相变蓄热器通过流经管内的换热流体与管外的相变材料进行换热，并利用相变材料的熔化和凝固进行相变蓄热，所以对管外相变材料相变过程的研究具有很重要的意义。很多学者对这个问题进行了研究[1-2]。AnicaTrp[3,4]分析了工业级石蜡在一个圆柱壳内熔化和凝固的瞬态传热现象。建立的数学模型可以处理熔化和凝固过程。结果显示，操作条件和几何尺寸参数的选择由所需要的传热率和蓄、放热时间决定，这些参数必须要仔细

5、选择，才能达到优化蓄热装置热性能的目的。邹得球[5]对一种余热相变石蜡储热过程进行了数值研究。考虑熔化过程中液相的自然对流情况,建立了矩形腔内石蜡熔化过程的数学模型,并利用该模型进行了数值模拟,分析了石蜡熔化过程中的温度场变化、流场变化、相界面移动情况。孔巧玲，马捷[6]研究了相变过程的理论基础，并用fluent软件计算了不同直径的相变过程，考虑自然对流与不考虑自然对流对相变过程的影响。吴斌[7]通过对管壳式换热器中加入相变材料，建立了二维模型并进行了相变蓄热实验。2问题描述及数学模型对方形槽内水平圆管外环形区域的相变传热问题进行了数值

6、研究。假设管内的换热流体在轴向没有温度变化，把三维问题转换为二维问题，建立数学模型并进行数值求解，给出环形区域内相变材料的温度场和固液相界面随时间的变化情况，分析了不同壁面温度对温度场和相变过程的影响。2.1数学模型如图1所示蓄热槽中心有一根水平圆管，管外放置有相变材料，管内有换热流体（水）流动，与管外的相变材料进行换热。蓄热时，热水从圆管内流过，把热量传给管外的相变材料，相变材料初始为固态，受热后逐渐熔化，等到相变材料完全熔化后，蓄热过程就完成了。放热时，管内有冷水流动，把热量从管外的相变材料中带走，相变材料初始为液态，受冷后逐渐凝固

7、，待到完全凝固后，放热过程便结束了。图1蓄热槽示意图图2蓄热槽截面图为方便分析，作以下假设：（1）相变材料各向同性；（2）液态相变材料为牛顿流体，流动为二维、非稳态、层流、不可压流动；（3）相变材料的物性参数不随温度变化，只在考虑浮升力作用时密度随温度变化，即采用Boussinesq假设；（4）管壁温度保持恒定；（5）管壁材料为金属，导热系数很高，其热阻忽略不计；（6）蓄热槽没有漏热损失，即蓄热槽上下左右表面绝热。相变传热问题可以采用焓法求解。焓法以相变材料的焓和温度共同作为求解变量，无须分区建立控制方程，对包括固相区、液相区及糊状区在

8、内的整个区域建立统一的守恒方程，求出焓的分布后，由已知的焓与温度的关系式求得节点的温度值。由此，可得控制方程为：质量方程：（1）动量方程：（2）（3）能量方程：（4）式中:ρ－密度，kg/m3；λ－导热系数