泡沫金属对相变蓄热强化性能的数值模拟及实验研究

论文摘要

随着社会的发展,能源的消耗越来越大,降低能源的消耗和新能源的开发成为世界各国普遍关注的问题。为了促进太阳能等清洁可再生能源的利用,达到节能环保的效果,相变蓄热以其蓄热密度高、过程易控制等特点,得到了广泛的应用。但是很多相变材料的导热系数都较小,这必然会严重影响其传热速率和冻融速率。泡沫金属以其质轻、高比热、高导热等优点,作为相变蓄热中的高导热填充物在航天、航空、环保等领域有着广泛的应用前景。本文以石蜡作为相变蓄热材料(Phase Change Materials, PCM),通过数值模拟和实验研究相结合的方法,研究了传热温差和高导热填充物对相变蓄热器蓄放热效率的影响。首先根据物理模型,通过适当的假设,建立数学模型。利用FLUENT软件对数学模型进行求解,并对计算结果进行分析,模拟结果表明传热温差越大,蓄放热效率越高,泡沫金属的添加不但加快了蓄放热速率,而且使整个蓄热容器里的温度分布比较均匀。然后对蓄热器实验装置进行设计并搭建了蓄热器实验台,设计了多组实验方案进行实验,使用Agilent 34970A对不同位置相变材料的温度和热媒体水(HTF)的流量进行数据采集。实验分蓄热和放热两个过程,在不同的加热温度和添加泡沫铜前后的情况下进行了反复的蓄放热实验,分析HTF的进口温度和高导热填充物对蓄热器热性能的影响。实验结果表明,加热温度越高或冷却温度越低,完成相变所需的时间越少,效率越高,泡沫铜的添加不仅使蓄热器内温度分布均匀,而且大大缩短了蓄放热所需时间。将实验结果与数值模拟结果进行比较,发现两种结果之间存在误差,通过分析发现,数值模拟过程中,为了简化模型和求解简单,对模型做了一定的假设,以及实验过程中存在不可避免的热损失、操作误差等,这些都是造成数值模拟结果和实验结果存在差别的原因。但是这个误差在理论允许范围之内,所以也可以验证理论模型的适用性,为蓄热器的设计、优化、评价提供参考依据。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 课题的研究背景及意义
• 1.2 国内外关于相变蓄热技术的研究
• 1.2.1 我国相变蓄热技术的研究进展
• 1.2.2 国外蓄热技术的研究进展
• 1.3 国内外关于强化相变蓄热的研究
• 1.3.1 在相变材料中添加高导热填充物
• 1.3.2 通过添加肋片的方式强化换热
• 1.3.3 通过优化相变换热装置来增强换热
• 1.4 空穴的产生和影响
• 1.5 本课题的主要研究内容
• 1.6 本课题的创新点
• 第2章 相变材料及传热模型分析
• 2.1 相变材料的分类
• 2.2 相变材料的选择原则
• 2.3 石蜡类相变材料及泡沫金属的研究
• 2.3.1 石蜡作为相变蓄热材料的特点
• 2.3.2 泡沫金属作为高导热填充物的研究
• 2.4 相变导热问题的求解
• 2.4.1 相变导热问题的求解方法
• 2.4.2 相变导热问题的数值求解步骤
• 2.5 相变模型分析
• 2.5.1 泡沫金属内的传热模型分析
• 2.5.2 空穴内的传热模型分析
• 2.6 本章小结
• 第3章 数学模型的建立及处理
• 3.1 FLUENT 软件的应用和模型的选择
• 3.1.1 FLUENT 软件的应用
• 3.1.2 FLUENT 处理相变问题的凝固/熔化模型
• 3.2 本文问题描述
• 3.3 数学模型的建立
• 3.3.1 热流体区域数学模型
• 3.3.2 相变区域数学模型
• 3.3.3 边界条件和初始条件
• 3.4 数学模型的求解
• 3.4.1 Gambit 划分网格
• 3.4.2 FLUENT 中的求解过程
• 3.5 本章小结
• 第4章 数值模拟结果分析
• 4.1 熔化过程的数值结果分析
• 4.1.1 加泡沫铜前343.15K 时的模拟分析
• 4.1.2 加泡沫铜后343.15K 时的模拟分析
• 4.1.3 加泡沫铜前338.15K 时的模拟分析
• 4.1.4 加泡沫铜后338.15K 时的模拟分析
• 4.1.5 熔化过程中不同工况下模拟结果的比较
• 4.2 凝固过程的数值结果分析
• 4.2.1 加泡沫铜前的凝固过程的数值模拟结果
• 4.2.2 加泡沫铜后的凝固过程的数值模拟结果
• 4.2.3 凝固过程中不同工况下模拟结果的比较
• 4.3 本章小结
• 第5章 实验系统和研究方法
• 5.1 本实验要完成的工作
• 5.2 实验依据
• 5.3 实验方案设计
• 5.4 实验装置简介
• 5.4.1 蓄热装置
• 5.4.2 恒温装置
• 5.4.3 测量装置
• 5.5 蓄热器的蓄放热实验步骤
• 5.6 实验结果分析
• 5.6.1 熔化过程
• 5.6.2 凝固过程
• 5.7 实验结果与数值模拟结果比较
• 5.8 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读硕士期间所发表的论文
• 致谢