多重V形肋片型太阳能空气集热器传热与流动特性的数值研究

发布时间：2020-09-27 11:21

　　太阳能资源丰富,分布广泛,清洁干净,是人类社会未来发展的能源基石,必将成为化石能源的替代能源之一。平板型集热器是太阳能低温热利用的基本部件,由于其结构简单、耐用、不需要跟踪装置并易与建筑结合等特点被广泛应用于诸多领域,但平板型集热器的换热性能有待进一步提高。大量研究表明肋片的存在,使流体的流向不断改变,从而产生二次流及边界层分离,增强了流体湍流强度,有利于强化换热,提高集热器的热效率。由于V形肋片型太阳能平板集热器流道内流动复杂,实验结果只是局限于整体换热特性的分析,对集热器内部流场的分析受到限制。本文采用计算流体动力学(CFD)的方法对多重V形肋片型太阳能平板集热器内的换热与流动特性进行了研究,直观地了解了集热器内流体的流动状态。本文首先通过网格无关性检验及理论分析,确定了计算网格数和采用RNGk-ε湍流模型,增强壁面函数进行计算。然后在雷诺数5000-20000的范围内,研究了相对肋宽比W/w、肋片倾角α、肋片节距P、肋高e对集热器换热特性的影响,并在不同几何参数下对集热器内部的温度场、速度场、流场进行了分析。计算结果表明,在其它参数一定时,随着W/w的增大,Nu数先增加后减小,相对其它肋宽比而言,W/w=6时,集热器换热性能因数η较大,具有较好的换热效果。在对节距P和倾角α的研究发现,在P较小时,a=45°的集热器η较大；在P较大时,a=30°的集热器η较大。在W/w=6,a=45°,P=15mm时,肋高对换热特性影响的研究发现Re数较小时,肋高e较大的集热器η较大；当Re数较大时,e较小的集热器η较大。对集热器内部流动的分析发现,流体掠过肋片后,产生脱离和再附着,形成旋涡,破坏了层流底层,极大的提高了空气侧的对流换热系数。几何参数W/w、α、P和e的不同对集热器内温度场和速度场的分布产生显著影响。随着W/w的增大,由二次流产生的旋涡的个数逐渐增多；倾角α不同,集热器内死区的大小也有明显差别,a=75°时,死区面积最大；随着P的增大,旋涡的总数减少,死区的总面积增大；随着e的增加,旋涡逐渐增大,但距肋片背风面的距离也有所增加,死区面积增大。
【学位单位】：大连理工大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2014
【中图分类】：TK513.1
【文章目录】：
摘要
Abstract
1 绪论
    1.1 课题背景
        1.1.1 太阳能利用的特点
        1.1.2 太阳能利用方式
    1.2 太阳能平板集热器
        1.2.1 太阳能平板集热器的结构
        1.2.2 太阳能平板集热器的特点
        1.2.3 太阳能平板集热器的工作原理
        1.2.4 提高平板集热器性能的主要途径
    1.3 太阳能平板集热器的研究
        1.3.1 研究现状
        1.3.2 存在的问题
    1.4 本文的主要研究内容
2 多重V形肋片型太阳能空气集热器的计算模型
    2.1 CFD概述
        2.1.1 计算流体动力学的工作步骤
        2.1.2 计算流体动力学的特点
        2.1.3 ANSYS FLUENT软件
    2.2 物理问题
    2.3 网格及计算模型的选择
        2.3.1 几何建模与网格划分
        2.3.2 湍流模型的简单介绍
        2.3.3 近壁面的处理方法
        2.3.4 网格无关性检验
        2.3.5 确定湍流计算模型
        2.3.6 在FLUENT中定义数学模型计算条件
        2.3.7 参数定义
    2.4 本章小结
3 V形肋片对集热器换热性能的影响
    3.1 相对肋宽比对集热器换热性能的影响
    3.2 倾角和节距对集热器换热性能的影响
        3.2.1 壁面平均努Nu数随倾角和节距的变化
        3.2.2 摩擦阻力系数随节距和倾角的变化
        3.2.3 换热性能因数随节距和倾角的变化
    3.3 肋高对集热器换热性能的影响
    3.4 本章小结
4 V形肋片对温度场和流场的影响
    4.1 V形肋片对流动和局部换热的影响
        4.1.1 Nu数沿换热壁面的变化
        4.1.2 集热器内部流动分析
    4.2 相对肋宽比对温度场和流场的影响
    4.3 倾角对温度场和流场的影响
    4.4 节距对温度场和流场的影响
    4.5 肋高对温度场和流场的影响
    4.6 本章小结
结论
参考文献
攻读硕士学位期间发表学术论文情况
致谢

【参考文献】