椭圆管强化多管蓄热器的数值模拟_高杨.pdf
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1、第 卷 第期 年月青 岛 科 技 大 学 学 报(自然科学版)()文章编号:();:椭圆管强化多管蓄热器的数值模拟高杨,何烨,许玲,周艳(青岛科技大学 机电工程学院,山东 青岛 )摘要:针对多管式相变蓄热器模型,运用 技术对相同横截面积的圆管、椭圆管外的 石墨烯石蜡复合相变材料的熔化、凝固过程进行仿真。在考虑自然对流的情况下,模拟结果表明:椭圆管的换热综合性能高于圆管;当内管中水的流速相同时,椭圆管的蓄放热效率分别比圆管高 和 。关键词:多管蓄热器;复合相变材料;蓄放热;椭圆管中图分类号:文献标志码:引用格式:高杨,何烨,许玲,等椭圆管强化多管蓄热器的数值模拟青岛科技大学学报(自然科学版),(
2、):,(),():收稿日期:基金项目:国家自然科学基金项目()作者简介:高杨(),女,硕士研究生 通信联系人 ,(,):,;,:;在过去的几十年中,相变材料()已广泛用于热能存储中,以缓解能源供需在时间和强度上的不匹配。相变储热是利用 在物相变化时释放的潜热来储存能量的,目前已广泛应用在建筑节能、太阳能热水器、热泵和航空航天上。针对一般 导热率低影响蓄热效率这一缺陷,目前研究主要分为两类,一是在 里添加高导热的纳米粒子,二是是将 与碳材料复合。除了采用添加物的方式提高 导热性外,在相变蓄热器领域的研究中,蓄热器自身的结构对整个蓄青 岛 科 技 大 学 学 报(自然科学版)第 卷热系统的传热性能
3、也有很大影响。国内外有大量关于改变换热内管数及其排列方式提高蓄热器换热速率的研究 ,文献 将多根换热圆管插入内部填充了泡沫金属的储热单元中,发现内管越多 熔化凝固速率越快,尤其对熔化过程影响较大;文献 研究表明四管可以有效的改善多管换热器的传热特性。文献 研究分析得出将四根圆管成正方形排列时 的熔化和凝固速率都较将换热管菱形排列时快。基于湍流强化换热的原理,在工程中也出现了不同于传统换热圆管的异型管,例如椭圆管、放缩管、螺纹管等 ;文献 采用了固液套管式相变蓄热装置,模拟了换热单管分别为圆管和椭圆管时管外石蜡的融化过程,得出了椭圆管可大大增强蓄能效果;文献 对壳体和换热管均为椭圆的管壳式换热器
4、的融化过程进行了模拟,并分析了内外椭圆管长短半轴比对融化时间的影响;文献 建立了椭圆管翅式换热器模型,模拟结果表明,与同周长圆管翅式换热器相比,换热性能提高了 ,降阻幅度达 。本研究对内置四根正方形排列及水平放置椭圆管的套管式蓄热器模型,与相同结构的圆形管模型进行对比,将 石墨烯石蜡复合相变材料填入壳体与内管间,采用数值模拟的方法研究了两种管型外 的蓄放热过程,并分析了不同质量流速下的 因子、数、换热量等参数,为今后套管式蓄热器的设计提供参考。模型的建立物理模型建立了如图所示的多管式蓄热器三维模型,管长为 ,外管直径为 ,圆形内管直径为,管间距为,椭圆内管长轴为 ,短轴为 ,管间距为 。内、外
5、管间填充了 石墨烯石蜡复合相变材料,其物 性 参 数 如 表 所 示。当 内 管 通 热 水 时,吸热熔化为蓄热过程;当内管通冷水时,放热凝固为放热过程。图蓄热器的几何模型 表 石墨烯石蜡复合相变材料的相关热物性参数 ()()()()()对蓄热装置的蓄放热过程进行模拟时,为简化计算做如下基本假设:)固液 各向均匀同性,各物性参数不随温度变化,为常数;第期高杨等:椭圆管强化多管蓄热器的数值模拟)采用 假设,只考虑 的密度在浮升力中的变化;)液态 为不可压缩、层流流动的牛顿流体;)忽略管壁厚,蓄热器外壁绝热。数学模型相变区:本研究采用焓法模型,通过求解焓值分布从而得出相变区域的温度分布,基于以上假
6、设,其控制方程如下(以下公式中的物性参数均为 石墨烯石蜡复合相变材料的物性参数):能量方程:()()()。()动量方程:()()()。()连续方程:()。()其中,为焓值,;为速度,;为温度,;为能量方程源项;为动量方程源项。其中:,(),(),()(),()()()。()其中,为显热焓值,;为潜热焓值,;为参考温度下对应的焓值,;为参考温度,;为液相分数;为小于 的常数,为 防 止 分 母 为 零;为 糊 状 区 常 数,取 ;为牵连速度,。计算处理熔化凝固过程采用焓孔隙率的计算方法,其基本思想是引入 的液相分数来表示计算区域中液相所占比例,借此间接跟踪相界面位置变化,其定义如式()所示:,
7、。()其中,为固相温度,;为液相温度,。流体区:连续性方程:()()()。()其中,为流体速度,;为流体密度,。动量守恒方程:()()(),()()()(),()()()()。()其中,为压强,;为动力黏度,;、为动量守恒中的广义源项。能量守恒方程:()()()()()()()。()其中,为对流换热系数,();为流体的温度,;为流体的质量定压热容,()。模型求解及参数设置选择隐式、非稳态求解器对蓄热器的蓄放热过程进行模拟,考虑重力对自然对流的影响;为更快获得收敛解,速度和压力耦合采用算法选择 算法,压力校正方程采用 方案,动量和能量校正方程采用二阶迎风方案;内管壁面与相变区之间的界面为耦合边界
8、;蓄热时水流入口温度为 ,的初始温度为 ;放热时水流入口温度为 ,初始温度为 。内管中水流流速为 ,经计算 数超过 ,因此为湍流流动,采用标准 模型,其中为圆管直径。()无关性检验及模型验证为提高网格质量,本研究采用 对模型进行结构化网格划分。以圆管模型为基础,首先网格数量进行无关性验证,计算网格数分别为、及 时,种网格下 的液相率的最大误差为 ,在保证计算精度的前提下青 岛 科 技 大 学 学 报(自然科学版)第 卷选用网格数为;在此基础上,对迭代时间步长进行检验,选取时间步长分别为 、和时,个时间步长下的最大计算误差为 ,综合考虑计算效率和准确度,选取 作为计算时间步长。为了保证数学模型的
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