入口脉动对平板太阳能空气集热器性能影响研究

发布时间：2020-10-15 02:02

　　 基于脉动流能够强化换热、延缓积灰速率并且减小积灰厚度,本文将脉动流引入到带有折流板的平板型太阳能空气集热器中。采用理论分析与数值模拟相结合的方法,通过探讨正弦波、方波、等腰三角波和直角三角波四种脉动波形的脉动参数对盖板和吸热板平均壁面切应力、全压损失以及集热器效率的影响,综合评估了脉动流动对集热器性能影响。首先,本文在原实验模型的基础上建立数值计算模型。通过将数值计算结果与实验结果进行比较,确定了最终的湍流模型,并且验证了数值模型的正确性。采用理论分析的方法探讨了集热器外部积灰和内部积灰对集热器热性能的影响,发现集热器外部和内部积灰均会使集热器效率下降,而内部积灰对集热器效率影响更大。并通过数值模拟的方法定量得出,集热器外部或内部的积灰密度每增加1g/m~2,集热器效率均下降2%左右,而内部积灰使吸热板吸收率降低,导致集热器效率更低,当盖板内侧和吸热板上部积灰密度均为6 g/m~2时,集热器效率可下降35.2%。然后采用数值模拟的方法具体研究了当集热器入口流量分别呈正弦波、方波、等腰三角波和直角三角波这四种波形变化时,盖板和吸热板平均壁面切应力、集热器全压损失以及集热效率的变化情况。结果表明,在增大集热器内部壁面切应力方面,直角三角波带来的效果最为明显,在腔室平均雷诺数为2600时,盖板和吸热板的平均壁面切应力均可增加2.4倍。对各波形下的壁面切应力变化特性进行了分析,发现集热器入口速度发生突变比增大速度更能有效提高吸热板的平均壁面切应力。研究结果表明,采用脉动流虽然会使集热器瞬时效率出现不同程度的降低。但在实际应用中,壁面切应力增大能够有效减缓积灰速率、减小积灰厚度,这将在集热器的长期工作性能提升方面发挥积极作用。
【学位单位】：燕山大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2019
【中图分类】：TK513.1
【部分图文】：

1 射流冲击型集热器研究现状在传热过程中，射流冲击能够起到破坏边界层、增加湍流强度、产生涡旋或二动等效果，因此有学者将冲击射流引入到 SAC 中，以期对集热器的热性能起到的作用。射流由流体通过喷嘴产生，应用最为广泛的为圆形喷嘴。Nayak 等[11]实验研究量流量、雷诺数、深度比等因素对 SAC 的影响，通过对比冲击射流型 SAC 和平板SAC两种模型，发现采用冲击射流能够明显提高集热器效率。Rajaseenivasan探究了喷嘴角度对 SAC 的影响，喷嘴模型如图 1-1 a)所示，实验研究发现，当为 0°时系统的性能最低，30°迎角时系统性能达到最佳，并且观察到射流能够热器内部产生湍流，强化空气与吸热板的换热能力。Aboghrara 等[13]实验研究了冲击射流对带有波纹板的 SAC 的影响，研究结果表明，冲击射流能够显著增强与波纹板之间的对流换热。

图 1-2 旋流喷嘴示意图兰进等[16]提出了一种在圆孔内壁布设 4 条螺旋通道的新。通过实验研究了不同螺旋角、雷诺数以及冲击距离对换该喷嘴所产生的冲击射流的换热规律。研究发现，旋转度，并且旋转角度越大制造旋流效应越强，换热效果也化型集热器研究现状粗糙度是对集热器结构进行优化的常见方法。流体与固体表面的粗糙度是影响对流换热强弱的重要因素，粗糙厚度、增大换热面积，从而强化流体与固体壁面间的对面粗糙度可以有效提高平板型 SAC 的集热效率[17, 18]。面增加人工粗糙度的方法也多种多样，但以规则的几何见的一种。Karim 等[19]实验研究发现，V 型 SAC 的集热

a) 半球形粗糙度 b) “S”形肋图 1-3 典型粗糙度结构示意图现阶段对 SAC 的研究多为单通道模型。而研究发现，在流体流动过程中该类型集热器内部会产生较大的局部涡旋，使散热损失严重；同时由于流体在集热器内部停留时间较短，与吸热板间的换热不充分，从而导致流体吸收的热量较少，最终使得该类型集热器效率较低[23]。针对单通道模型效率不高的问题，较为普遍的做法是在集热器内添加一些垂直通道，对集热器结构进行优化，使流体在集热器内来回流动以延长其换热时间，同时增大换热面积，从而提高集热器效率[24, 25]。近年来学者们对双通道模型和多通道模型进行了大量研究。Alam 等[26]对逆流双通道、平行双通道和循环双通道 SAC 进行了比较研究，研究模型如图 1-4 所示，研究发现双通道 SAC 集热效率更高，比相同条件下的单通道模型集热效率提高10~20%，而对于不同形式的双通道 SAC，循环双通道模型的热性能最佳。Fudholi等[27]采用理论和实验相结合的方法对有和没有肋片的双通道 SAC 进行了分析，探索
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本文编号：2841523