矩形单元内石蜡熔化/凝固过程传热特性研究及结构优化
发布时间：2021-12-17 22:01
储能技术凭借能够有效解决能量供求双方在时间和空间上不匹配的优势,被广泛应用到诸如太阳能利用、建筑节能、工业余热回收、供暖空调系统、电子元件冷却等领域。但目前,对提高矩形相变单元储热及放热过程总效率的研究较少,且大多相变材料的导热性能较差,使得相变储能的应用推广存在一定的困难。基于此,本文针对相变单元内相变材料的传热特性及单元的结构优化开展了以下研究工作:利用FLUENT软件对矩形单元内水平圆管外伴有对流的相变传热问题建立了数值模型与计算方法,并将单元内石蜡熔化过程的温度与实验结果进行对比,验证了所建立的焓-多孔介质模型的可靠性。以石蜡为相变材料,水作换热流体,对矩形单元内石蜡的储、放热特性分别进行了数值模拟分析,通过单元内的固-液相界面、温度场、速度场、流场以及熔化/凝固速率等参数随时间的变化情况可知,石蜡熔化过程中,当加热壁面与相变材料初始温度间温差提升20℃时,单元内石蜡的熔化速率增大24.26%,单元内自然对流主导传热的时间占熔化总时间的比例增大36.11%,自然对流的强度提高41.51%,自然对流作用对熔化过程中的传热影响不能忽略;石蜡凝固过程中,当放热壁面与相变材料初始温度间...
【文章来源】：山东大学山东省 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：85 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
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山东大学硕士学位论文??程中，轴向温度跟径向温度梯度相比可忽略［５９］），因此可将原三维模型简化为二??维模型进行研宄，并且由于圆管Ｘ方向处于中心，左右对称边界，故仅取一半??区域作为计算域，见图２－２。??绝热壁面．??石蜡??绝??等?热?１??产、＇通?ｉ?２??Ｒ＝１０ｍｍ?壁?面―??面??绝热壁面??５０?ｍｍ??图２－２模型的计算域??２．?２．?２网格无关性和时间步长独立性验证??为保证模拟结果的准确性，在进行数值计算之前需先对模型进行独立性验??证。对二维简化模型进行网格划分，划分网格数分别为７２７５、１０４７２和１６３６５，??当网格数达到１０４７２时即可满足计算精度要求，由于所模拟的是瞬态传热流动模??型，故进行时间步长独立性验证是必要的，经过多次试算，选择时间步长为０．１?ｓ，??如图２－３所示。??３１６?－?＿＿?３１６?－?，??３１２?－?３１２?－?／ｙ??＾?３０８?－?＾?３０８?－?一？—０．０５?ｓ??卜?一？—网格数为?１６３６５?ｆ，?—ｍ—〇?ｉ?ｓ??３０４?＿?——?网格数为?１０４７２?３０４?＇?＾?－—０．２?ｓ??３００?ｙｊｒ?—＇＊—网格数为７２７５?３００???｜?｜?｜???｜?Ｉ?｜???０?５０?１００?１５０?２００?０?５０?１００?１５０?２００??ｔ?／?ｍｉｎ?ｔ?／?ｍｉｎ??（ａ）网格无关性?（ｂ）时间步长独立性??图２－３独立性验证??１５??
【参考文献】：
期刊论文
[1]矩形单元蓄热特性及结构优化[J]. 周慧琳,邱燕. 储能科学与技术. 2020(04)
[2]矩形蓄热单元内石蜡的相变传热特性[J]. 周慧琳,邱燕. 山东大学学报(工学版). 2019(04)
[3]中国航天器新型热控系统构建进展评述[J]. 宁献文,李劲东,王玉莹,蒋凡. 航空学报. 2019(07)
[4]内径尺寸对环形相变蓄热单元熔化特性影响规律的数值分析[J]. 龙伟月,曹晓玲,袁艳平,向波,余南阳. 太阳能学报. 2018(06)
[5]蓄热过程强化技术的应用研究进展[J]. 孟锋,安青松,郭孝峰,赵军,邓帅,赵栋. 化工进展. 2016(05)
[6]圆柱形相变蓄热单元性能的理论与数值研究[J]. 刘泛函,王仕博,王华,王辉涛,杨濮亦,熊靓. 太阳能学报. 2015(03)
[7]中低温相变蓄热的研究进展[J]. 徐治国,赵长颖,纪育楠,赵耀. 储能科学与技术. 2014(03)
[8]相变热控装置内部的传热特性[J]. 杜雁霞,肖光明,桂业伟,贺立新,刘磊. 化工学报. 2012(S1)
[9]矩形单元内癸酸熔化特性的数值模拟与实验[J]. 袁艳平,曹晓玲,白力,杨晓娇. 西南交通大学学报. 2012(02)
[10]方形槽内水平圆管外相变蓄热过程的数值模拟[J]. 李伟,赵军,李新国. 热能动力工程. 2012(02)
硕士论文
[1]方形相变蓄热单元内Al-Cu合金熔化和凝固过程传热特性研究[D]. 崔富.西南交通大学 2017
[2]瞬态相变储热装置设计[D]. 李燚.电子科技大学 2015
[3]微纳米碳/石蜡基复合材料的传热蓄热性能研究[D]. 周文.中南大学 2013
[4]固体相变蓄热材料的蓄热和放热性能研究[D]. 李曾敏.重庆大学 2002
本文编号：3541025
【文章来源】：山东大学山东省 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：85 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
图１－４相变蓄热热泵系统示意图??．．
山东大学硕士学位论文??Ｘ：??ｆ＼?＼ｆｙ－Ａ??ｃｆ?［?Ｕ??，?■／ｆｘ??Ｉ?——＂丨．．?＾＾＾??＇？？ｆ??图２－１物理模型??表１石蜡物性参数表??相变温度?相变潜热?密度?热导率?比热容??／Ｋ?／?（ｋＪ．ｋｇ．１）?／?（ｋｇ．ｎｒ３）?／?（Ｗ．（ｍ．Ｋ）．１）?／?（ｌｄ?（ｋｇ?Ｋ）－１）??固态?液态?固态?液态?固态?液态??３１９．６８?１４１．９１?９１６?７７６?０．２７?０．１１?１．７?２．５??由于ＰＣＭ的相变过程是一个基于多物理场相互作用的复杂过程，为便于进??行数值模拟，对计算模型作以下假设：??（１）密度项满足ｂｏｕｓｓｉｎｅｓｑ假设，即只考虑温度变化引起的密度项变化??（２）?ＰＣＭ固、液两相的比热容、热导率和密度均为常数且不随温度发生变化，??各向同性；??（３）?ＰＣＭ的相变过程发生在一个温度范围内。??基于以上假设，选择２Ｄ分离、隐式、非稳态求解器求解，加载能量方程、??凝固熔化（Ｓｏｌｉｄｉｆｉｃａｔｉｏｎ／Ｍｅｌｔｉｎｇ）模型、层流模型来模拟石蜡初始温度为３００．１５Ｋ??的条件下，温度为３３３．１５?Ｋ的水作为传热流体与ＰＣＭ耦合时的熔化过程。能量??方程、动量方程的离散均采用二阶迎风差分格式，离散项中压力梯度采用??ＰＲＥＳＴＯ！格式，压力和速度耦合项采用ＳＩＭＰＬＥＣ算法，材料面板的设置密度??项选择Ｂｏｕｓｓｉｎｅｓｑ假设，体积膨胀系数为０．００１?Ｋ－１，液相线温度设为３１９．６８?Ｋ，??固相线温度设为３１４．９８?Ｋ，内圆管壁面设为恒壁温条件，外壳体壁面采用绝热条??件。?
山东大学硕士学位论文??程中，轴向温度跟径向温度梯度相比可忽略［５９］），因此可将原三维模型简化为二??维模型进行研宄，并且由于圆管Ｘ方向处于中心，左右对称边界，故仅取一半??区域作为计算域，见图２－２。??绝热壁面．??石蜡??绝??等?热?１??产、＇通?ｉ?２??Ｒ＝１０ｍｍ?壁?面―??面??绝热壁面??５０?ｍｍ??图２－２模型的计算域??２．?２．?２网格无关性和时间步长独立性验证??为保证模拟结果的准确性，在进行数值计算之前需先对模型进行独立性验??证。对二维简化模型进行网格划分，划分网格数分别为７２７５、１０４７２和１６３６５，??当网格数达到１０４７２时即可满足计算精度要求，由于所模拟的是瞬态传热流动模??型，故进行时间步长独立性验证是必要的，经过多次试算，选择时间步长为０．１?ｓ，??如图２－３所示。??３１６?－?＿＿?３１６?－?，??３１２?－?３１２?－?／ｙ??＾?３０８?－?＾?３０８?－?一？—０．０５?ｓ??卜?一？—网格数为?１６３６５?ｆ，?—ｍ—〇?ｉ?ｓ??３０４?＿?——?网格数为?１０４７２?３０４?＇?＾?－—０．２?ｓ??３００?ｙｊｒ?—＇＊—网格数为７２７５?３００???｜?｜?｜???｜?Ｉ?｜???０?５０?１００?１５０?２００?０?５０?１００?１５０?２００??ｔ?／?ｍｉｎ?ｔ?／?ｍｉｎ??（ａ）网格无关性?（ｂ）时间步长独立性??图２－３独立性验证??１５??
【参考文献】：
期刊论文
[1]矩形单元蓄热特性及结构优化[J]. 周慧琳,邱燕. 储能科学与技术. 2020(04)
[2]矩形蓄热单元内石蜡的相变传热特性[J]. 周慧琳,邱燕. 山东大学学报(工学版). 2019(04)
[3]中国航天器新型热控系统构建进展评述[J]. 宁献文,李劲东,王玉莹,蒋凡. 航空学报. 2019(07)
[4]内径尺寸对环形相变蓄热单元熔化特性影响规律的数值分析[J]. 龙伟月,曹晓玲,袁艳平,向波,余南阳. 太阳能学报. 2018(06)
[5]蓄热过程强化技术的应用研究进展[J]. 孟锋,安青松,郭孝峰,赵军,邓帅,赵栋. 化工进展. 2016(05)
[6]圆柱形相变蓄热单元性能的理论与数值研究[J]. 刘泛函,王仕博,王华,王辉涛,杨濮亦,熊靓. 太阳能学报. 2015(03)
[7]中低温相变蓄热的研究进展[J]. 徐治国,赵长颖,纪育楠,赵耀. 储能科学与技术. 2014(03)
[8]相变热控装置内部的传热特性[J]. 杜雁霞,肖光明,桂业伟,贺立新,刘磊. 化工学报. 2012(S1)
[9]矩形单元内癸酸熔化特性的数值模拟与实验[J]. 袁艳平,曹晓玲,白力,杨晓娇. 西南交通大学学报. 2012(02)
[10]方形槽内水平圆管外相变蓄热过程的数值模拟[J]. 李伟,赵军,李新国. 热能动力工程. 2012(02)
硕士论文
[1]方形相变蓄热单元内Al-Cu合金熔化和凝固过程传热特性研究[D]. 崔富.西南交通大学 2017
[2]瞬态相变储热装置设计[D]. 李燚.电子科技大学 2015
[3]微纳米碳/石蜡基复合材料的传热蓄热性能研究[D]. 周文.中南大学 2013
[4]固体相变蓄热材料的蓄热和放热性能研究[D]. 李曾敏.重庆大学 2002
本文编号：3541025
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