温差能水下滑翔机实验水池温度梯度的理论验证与实验.pdf

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1、第42卷第1期2013年02月船海工程SHIP&0CEANENGINEERINGV01．42No．1Feb．2013DOI：10．3963／j．issn．1671—7953．2013．01．037温差能水下滑翔机实验水池温度梯度的理论验证与实验陈晖。马捷(上海交通大学海洋工程国家重点实验室，上海200240)摘要：为使试验水池能为研究温差能水下运载器提供稳定可靠的实验环境，根据滑翔机相变材料相过程变模型的数值求解，得出实验水池温度梯度控制目标，并以此为目标设计出一套基于西门子S7—200PLC的温

2、度梯度控制的实验台架，实验表明，水池在长度方向上有1／3区域可获得理想的温度梯度。关键词：温差能水下滑翔机；实验水池；温差梯度；PLC中图分类号：U674．941文献标志码：A文章编号：1671-7953(2013)01-0137-05水下温差能滑翔机的实验需要水域环境具有一定的温度梯度，一般在湖泊或沿海地区进行。但是湖泊或沿海地区沿水深的温度梯度的变化规律在某一时间段较为单一，如果需要多工况，需要不同的试验点或者实验时段，这就给水下温差能滑翔机实验带来了困难。因此，能模拟出具有可调节温度梯度的水

3、域环境对研究水下温差能滑翔机具有重要意义。1水池所需温度梯度的理论分析1．1相变过程模型的建立水下热滑翔机的相变材料储存在圆柱体的水平管中。相变材料在储能管中的两种主要状态见图1、2，即滑翔机下潜时的凝固过程与滑翔机上升时的融化过程。在温差能滑翔机航程中，圆管容器始终暴露在海水中，管内相变材料通过器壁与海水进行热交换，获取温差能¨引。建立数学模型，对相变材料进行以下假设。1)相变工质为纯物质，且各向同性。2)相变工质的比热、潜热和密度等物理参数固相和液相之间不同，且不随温度和压力而变化。3)相变材

4、料性能稳定，无性能退化、过冷和过热等现象。收稿日期：2011—10—21修回日期：2012—02—25基金项目：国家自然科学基金(E091002)第一作者简介：陈晖(1984一)，男，硕士生研究方向：水下温差能滑翔机E．mail：chenhui@yahoo．eom．en图1相变材料凝固过程图2相变材料融化过程4)热机管为细长圆管，忽略轴向和周向传热，只考虑径向传热问题。5)容器热阻忽略不计。相变传热能量方程采用焓法模型[3]，它以比焓和温度作为变量，对求解区域建立统一的能量方程。一维圆柱体的能量方

5、程为。4j面aH=÷旦ar(，c·r塑Or)(1)挑r、“，、7式中：￡——时间；r——径向坐标；，c——相变材料的导热率；卜温度；137第1期船海工程第42卷卜体积焓为相变材料的显热和潜热之和，可以通过式(2)计算∞J。H=h+pZ^。(2)式中：^。——相变材料的潜热；p——相变材料的密度，下标l为液相；^——显热。h=厶scsdT，pq0，0=0。(3)知T，c。dT，p>p。式中：m——相变温度；c——相变材料的比热；下标S、l——固相、液相；Z——液相分数。z=矗瓣(4)利用式(2)、(

6、3)，式(1)中的体积焓可以用显热和潜热来表示：蓑=上r砉(口·r豢)-plhmplh筹(5)瓦2一面I"7面J面p’式中：口——热扩散系数。融化过程的自然对流效应用等效导热系数K。。考虑，圆柱型封闭容器的等效导热系数为∞1一Keq=0．18(Ro)o一，Ra>103(6)式中：如——瑞利数。假设滑翔机初始处于水面，滑翔机内的相变材料和外界海水热平衡，当滑翔机运行时，相变材料与海水进行对流换热。故相变材料的边界条件为譬：0，，：0(7)一，c_=o_1=h。。。，(0—0。)，r=R(8)式中：p

7、。——水温；hco。v——对流换热系数；尺——圆柱体相变材料的半径。1．2相变过程的数值验证典型的海洋温跃层温度为2～30℃m1。按照实验水池的设计深度为2m计算，温度梯度应在10～15％／m范围内考虑。所以分别取t。为10．0、12．5、15．0％／m进行计算，即水池的温度0。及深度z的函数关系式分别为0。=30一lOzt。=10．0℃／m(9)谚√=30—12．5zt，=12．5oC／m(10)0。=30—15zt．=15．0℃／m(11)根据水池温度变化范围，在几种常见的相变材料中比较后，选

8、取正十六烷为滑翔机样机的相变材料。正十六烷的物理性质见表1。表1正十六烷的物理性质相变温相变潜热／固相比热容／液相比热容7度／℃(kJ·k-1)[kJ·(kg·℃)．1][1(J·(砖·℃)。1]18．2235．6321．7652．216固相密度／液相密度／固相导热系数／液相导热系数／(kg·In-3)(kg·m-3)[W·(in·℃)一][W·(m·℃)“]设计滑翔机最大体积变化量为350mL。滑翔机动力装置储能管采用3根外置式的长圆柱管，其尺寸为直径0．03nl、长1．6m。总