横断扰流微通道流动及传热特性研究

发布时间：2020-05-01 14:14

【摘要】：聚光光伏系统(CPV)以其独特优点在光伏发电领域具有广泛的应用前景,但其对聚光光伏电池冷却系统的要求较高,传统平直微通道存在沿工质流动方向上温度梯度和压力梯度较大的缺点,越来越不能满足散热要求,因此,设计开发包括横断扰流微通道(IMCHS-R)在内的新型微通道,深入研究横断扰流微通道的强化传热机理及流动和传热特性具有十分重要的现实意义。本文建立了工质为水,固体材料为硅的横断扰流微通道三维物理模型,确定了处于层流充分发展下的横断扰流微通道数学模型,进行网格划分,将模拟结果与实验数据对比,证明了模型可靠。将IMCHS-R和传统微通道(MCHS)及横断微通道(IMCHS)的流动与传热特性进行了对比研究,揭示了其强化传热机理。结合控制变量法研究了流动参数(Re)和扰流元结构参数(无量纲扰流元宽度W_2/W_1、无量纲扰流元长度L_2/L_1、无量纲扰流元位置S/L_1)对IMCHS-R流动和传热特性的影响。研究结果表明,高Nu_(local)和f_(local)区域分布在扰流元头部及第二部分微通道入口区域,在这两个区域流体剧烈撞击壁面,造成强烈扰动;当L_2/L_1=0.5、S/L_1=0.5时,在Re小于300时,W_2/W_1=0.5的综合换热系数(PEC)值最大,在Re大于300时,W_2/W_1=0.3的IMCHS-R的PEC值最大;当W_2/W_1=0.5、S/L_1=0.5时,在Re小于500时,L_2/L_1=0.5的IMCHS-R的PEC值最大,在Re大于500时,L_2/L_1=0.7的IMCHS-R的PEC值最大;当W_2/W_1=0.5、L_2/L_1=0.5时,S/L_1=0.5的IMCHS-R的PEC值最大。基于对流换热熵产模型,进行了局部和平均传热和粘性耗散熵产特性研究。边界层内的局部熵产特性验证了第三章的Nu_(local)和f_(local)分布规律。平均传热熵产排序:IMCHSMCHSIMCHS-R,平均阻力熵产排序:IMCHS-RMCHSIMCHS,平均Be_(ave)排序:IMCHSMCHSIMCHS-R。平均传热熵产和平均Be_(ave)随着雷诺数的增加、无量纲扰流元宽度的增加、无量纲扰流元长度的增加、扰流元位置非对称程度的增加而减小;平均阻力熵产随着雷诺数的增加、无量纲扰流元宽度的增加、无量纲扰流元长度的增加、扰流元位置非对称程度的增加而增加。基于上述研究,进行了扰流元形状优化设计,结果表明,当偏移角度θ为45°时,无量纲扰流元头部宽度δ/W_2增加,流体撞击扰流元之后流动转变更加剧烈,扰动更加强烈,高Nu_(local)和高f_(local)区域面积增加,平均换热性能增加,平均阻力变大,得到最优PEC值对应的无量纲扰流元头部宽度为δ/W_2=2/3;当无量纲扰流元头部宽度δ/W_2为1/3时,偏移角度θ增加,流体撞击扰流元之后流动转变更加剧平顺,扰动更小,高Nu_(local)和高f_(local)区域面积减小,平均换热性能减弱,平均阻力变小,得到最优PEC值对应的偏移角度为:当Re800为θ=45°,当Re800为θ=60°。
【图文】：

分布图,太阳能资源,分布图

1.1 课题背景及研究意义当今社会，全球经济繁荣发展，对能源的需求量巨大，且呈逐年增长趋势，炭、石油、天然气等化石能源长久以来极大地支撑和推动着人类社会的进步和发而化石能源储量有限，大规模的开采和应用已使人们面临着资源枯竭的威胁。此化石能源使用过程中排放大量有害的气体，导致环境恶化，如燃煤导致大气中PM 2.5 居高不下；排放出的大量二氧化碳导致全球气候变暖。根据国际能源协（International Energy Agency, 简称 IEA）的预测，以目前的发展趋势，截止 20年全球能源消耗将增加 50%；同时，大气层中温室气体的增加使得全球气温明升高，并有可能引发一系列的环境问题。为了解决上述问题，目前越来越多的国开始着力于研究清洁可再生能源利用技术，根据 IEA 的研究预测，到 2035 年可生能源将提供全球 35%的供电量[1]。常见的可再生能源包括太阳能、风能、核能地热能、生物质能、潮汐能等，其中太阳能因为具有清洁、可再生、分布广、容获取等优点而获得广泛应用。图 1-1 给出了我国太阳能的资源分布，可以看出，国拥有十分丰富的太阳能资源，，尤其在包括西藏、新疆等地的西北地区。在我国太阳能的开发利用具有十分广阔的市场应用前景。

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哈尔滨工业大学工学硕士学位论文技术。光伏电池经历了晶硅电池、薄膜电池的发展，已经取得了广泛的应用，由于太阳能电池的成本很高，转换效率很低，因此光伏技术被称为最昂贵的可能源技术之一，其发展受到了一定的限制。但是近年来出现了太阳能聚光光Concentratedphotovoltaic, 简称 CPV），这种光伏系统采用具有大光谱吸收、高效率等优点的 III-V 族化合物组成的多结电池，被认为是未来建造大型支撑电最理想的太阳能发电技术。图 1-2 给出了 CPV 系统的结构组成示意图，CPV的主要组成为：聚光模块、光电转换模块、冷却模块及追踪模块。CPV 系统菲涅尔透镜、抛物面反射器、复合抛物面聚光器等光学器件将太阳光聚集到小伏电池上以实现降低成本、提高光电转换效率的目的[3,4]。
【学位授予单位】：哈尔滨工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TK124

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