基于球堆叠的月壤蓄热器传热特性数值研究

发布时间：2021-02-13 03:58

　　月壤蓄热是月球原位资源利用的一种重要方式,也是解决未来月球基地能源需求的最具潜力的途径之一。针对月壤蓄热过程,建立了基于球形堆叠的月壤蓄热器多孔介质蓄热模型。蓄热器的壳体采用登月舱下降级的燃料罐,流体传热介质采用氦气。通过数值模拟的方法研究了不同流动压降下月壤蓄热球堆叠方式、球直径对蓄热器传热过程的影响规律和机理,并分析了蓄热动态过程。研究结果表明,月壤蓄热球在简单立方体均匀堆叠（SC）和面中心立方体均匀堆叠（FCC）两种方式下,SC堆叠方式的综合蓄热指数比FCC模式可提高30.2%;同时还发现月壤蓄热球的直径存在最优值,可使得蓄热器在单位泵功下获得最大的蓄热量,并且该最佳值随着流体进出口压差增加而减小。该研究可为未来月壤蓄热器的设计和优化提供理论指导。 

【文章来源】：中国空间科学技术. 2020,40(01)北大核心

【文章页数】：8 页

【部分图文】：

燃料罐尺寸

原始月壤质地疏松,孔隙率大约为0.33,导热系数极低,只有0.012 W/(m·K),必须经过加工以提高其导热性能。考虑加压的方法见图4,将月壤在一定压力下压缩成球体,使孔隙率减小到0.1以下。假设孔隙率为0时月壤的导热系数与花岗岩相等(λ=2.46 W/(m·K)),再将孔隙内填充氦气(T=1 000 K时,λ=0.36 W/(m·K))。当氦气的压力足够高,氦气分子的平均自由程小于孔隙时,月壤的导热系数达到最佳[4]。假设氦气和月壤颗粒之间为串联的传热方式,压缩后的月壤有效导热系数可用下式计算:

使用ANSYS中的Fluid Flow进行建模和求解,模型的网格划分如图5所示,采用Fluent的多孔介质模型和k-ε湍流模型。多孔介质模型使用非热平衡模型,使用SIMPLE算法隐式求解。网格独立性验证如表3所示,分别采用84659、122835和167862三种网格数量,可以看到采用122835和167862两种网格时,蓄热器的平均温升计算结果相对误差为0.1%。为了兼顾计算效率和计算精度,后续计算中将采用网格数122835来计算。表3 网格数对蓄热器平均温升的影响Table 3 Effect of grid number on average temperature rise of thermal energy reservoir 网格数 平均温升ΔT/K 84659 549.7 122835 548.6 167862 548.0

【参考文献】：
期刊论文
[1]三维球形堆积床内湍动特性的数值模拟[J]. 刘宏升,姜霖松,吴丹,解茂昭.  东北大学学报(自然科学版). 2018(08)
[2]圆球及椭球颗粒有序堆积多孔介质内强制对流换热实验研究[J]. 杨剑,闫晓,曾敏,王秋旺.  核动力工程. 2012(S1)
[3]三维颗粒有序堆积多孔介质内强制对流换热数值研究[J]. 杨剑,曾敏,闫晓,王秋旺.  核动力工程. 2010(S1)



本文编号：3031933