太陽能管式集熱器畢業(yè)設(shè)計論文

1、<p><b>　　摘 要</b></p><p>　　太陽能光熱利用主要有無污染、零排放、不使用傳統(tǒng)化石燃料的優(yōu)點，其主要有槽式、塔式、碟式和線性菲涅爾式四種。目前槽式太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)已經(jīng)在成熟的商業(yè)化應(yīng)用中，但是，槽式太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)中的管式集熱器在運行過程中，存在著換熱效率低，溫度場分布不均勻，換熱溫差大等問題。為了強化管式集熱器的換熱、均勻化集熱器的溫度場，提高系統(tǒng)利用效

2、率，本文引入內(nèi)置擾流柱群管作為拋物槽式太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)的集熱器。</p><p>　　本文首先以圓管式太陽能集熱器為研究對象，建立太陽能槽式熱發(fā)電系統(tǒng)中集熱器的流動傳熱模型，對管式集熱器表面的溫度分布特性，熱流分布特性進(jìn)行分析，研究雷諾數(shù)對圓管式太陽能集熱器的溫度分布特性，流動與傳熱特性的影響規(guī)律；其次，引入內(nèi)置擾流柱群管式太陽能集熱器，建立內(nèi)置擾流柱群管式太陽能集熱器的流動傳熱模型，對內(nèi)置擾流柱群管式集熱器的傳

3、熱特性及流阻特性進(jìn)行數(shù)值研究，著重分析擾流柱分布特性和雷諾數(shù)對內(nèi)置擾流柱群管式集熱器的傳熱和流阻特性的影響。</p><p>　　研究結(jié)果表明，內(nèi)置擾流柱群管式太陽能集熱器具有明顯的強化傳熱性能，與圓管式太陽能集熱器相比，其努塞爾數(shù)最多提高6.6%，此時的綜合傳熱因子提高8%，集熱器溫度場分布更加均勻。</p><p>　　關(guān)鍵詞：太陽能；熱流分布；強化傳熱；溫度場；熱應(yīng)力；內(nèi)翅片管<

4、;/p><p><b>　　Abstract</b></p><p>　　There are three main advantages of the photo-thermal utilization of solar energy：（1）pollution-free（2）zero-emission（3）nonuse of fossil fuel. The four m

5、ain kinds of solar energy photo-thermal utilization are parabolic trough collectors, parabolic dish collectors, heliostats and linear Fresnel reflectors. At present, among these, the parabolic trough collectors is the mo

6、st commercially utilized. A series problems of the parabolic trough collector are: low efficiency of heat transfer, non-uniform te</p><p>　　Primarily, our research is based on the smooth tube. A flow an

7、d heat transfer model has been developed to investigate the distribution of temperature and heat flux of the parabolic trough collector, and the influence of Reynolds number is also investigated. Secondly, an innovative

8、inserted pin-fin arrays tube is introduced and investigated by building flow and heat transfer model. The influence of Reynolds number and distribution of fins on heat transfer and flow resistance characteristics are m&l

9、t;/p><p>　　The results show that the parabolic trough receiver with inserted pin-fin arrays tube has a significant ability of heat transfer augmentation. Compared to smooth tube, the inserted pin-fin arrays tub

10、e can rise the Nussult number for 6.6% and the overall heat transfer performance for 8%.</p><p>　　Keywords: solar energy, heat flux distribution, thermal strain, heat transfer enhancement, inserted pin-fin a

11、rrays</p><p>　　不要刪除行尾的分節(jié)符，此行不會被打印</p><p><b>　　目 錄</b></p><p><b>　　摘 要I</b></p><p>　　AbstractII</p><p><b>　　第1章 緒論1</b

12、></p><p>　　1.1 課題背景及研究意義1</p><p>　　1.2 管式集熱器的溫度場及熱應(yīng)變研究現(xiàn)狀3</p><p>　　1.2.1 管式集熱器的溫度場研究現(xiàn)狀3</p><p>　　1.2.2 管式集熱器的熱應(yīng)變特性研究現(xiàn)狀4</p><p>　　1.3 內(nèi)翅片管換熱器的研究現(xiàn)狀5&

13、lt;/p><p>　　1.4 本文的主要研究內(nèi)容6</p><p>　　第2章 太陽能管式集熱器內(nèi)流動及換熱模型8</p><p><b>　　2.1 引言8</b></p><p>　　2.2 模型建立8</p><p>　　2.2.1 物理模型8</p><p>

14、;　　2.2.2 數(shù)學(xué)模型9</p><p>　　2.2.3 邊界條件14</p><p>　　2.2.4 udf編譯15</p><p>　　2.3 網(wǎng)格劃分及無關(guān)性驗證17</p><p>　　2.3.1 網(wǎng)格劃分17</p><p>　　2.3.2 網(wǎng)格無關(guān)性驗證18</p><p

15、>　　2.4 模型驗證19</p><p>　　2.5 本章小結(jié)20</p><p>　　第3章 圓管式太陽能集熱器流動與換熱特性研究21</p><p>　　3.1 圓管式太陽能集熱器換熱特性研究21</p><p>　　3.2 圓管式太陽能集熱器流動特性研究25</p><p>　　3.3 本章小結(jié)

16、27</p><p>　　第4章 內(nèi)置擾流柱群管式太陽能集熱器的流動與換熱特性研究29</p><p>　　4.1 內(nèi)置擾流柱群管式太陽能集熱器模型29</p><p>　　4.2 擾流柱群管式太陽能集熱器流動換熱特性研究31</p><p>　　4.3 圓周上擾流柱數(shù)目對擾流管換熱特性的影響37</p><p&

17、gt;　　4.4 本章小結(jié)40</p><p>　　第5章 結(jié)論與展望41</p><p><b>　　5.1 結(jié)論41</b></p><p>　　5.2 后續(xù)工作展望42</p><p><b>　　參考文獻(xiàn)43</b></p><p>　　攻讀學(xué)位期間發(fā)表的學(xué)

18、術(shù)論文48</p><p><b>　　致 謝49</b></p><p>　　千萬不要刪除行尾的分節(jié)符，此行不會被打印。在目錄上點右鍵“更新域”，然后“更新整個目錄”。打印前，不要忘記把上面“Abstract”這一行后加一空行</p><p><b>　　緒論</b></p><p><

19、;b>　　課題背景及研究意義</b></p><p>　　隨著經(jīng)濟(jì)的迅速發(fā)展，我國對能源的需求量也在逐年遞增。目前我國已經(jīng)成為全球能源消耗量最大的國家。</p><p>　　表1-1中國一次能源消費結(jié)構(gòu)（百萬噸油當(dāng)量/Mtoe）[1]</p><p>　　表1-1與表1-2所示分別為2003—2012年我國一次能源消費結(jié)構(gòu)以及各種能源消費所占的百分

20、比。從表1-1與1-2我們可以看出目前我國能源消費仍然是以傳統(tǒng)的化石能源（特別是煤炭能源）為主。然而，當(dāng)今世界正面臨著能源危機(jī)、傳統(tǒng)能源消耗帶來的環(huán)境污染與氣候變暖等問題。因而，尋找新型、清潔環(huán)保的替代能源已逐漸成為了人們關(guān)注與研究的熱點問題。</p><p>　　太陽能以其儲量的無限性、開發(fā)利用的清潔性，成為21世紀(jì)解決開發(fā)利用化石能源帶來的能源短缺、環(huán)境污染和溫室效應(yīng)等問題的有效途徑之一[1,2]。太陽能資源

21、的利用按照能量轉(zhuǎn)化方式可以分為光熱轉(zhuǎn)換利用、光電轉(zhuǎn)換利用和光化學(xué)轉(zhuǎn)換利用[3]。其中，太陽能熱動力發(fā)電是太陽能光熱轉(zhuǎn)換的有效途徑之一，它具有清潔、無污染等優(yōu)點。但是由于太陽能資源具有能流密度低，易受到晝夜、季節(jié)、和地理緯度等因素影響的缺點，必須通過聚集技術(shù)將低熱流密度的太陽輻射聚集起來，形成高匯聚的太陽能熱流以實現(xiàn)降低熱損失和高效的能源利用。</p><p>　　表1-2中國一次能源消費百分比（%）[1]<

22、/p><p>　　傳統(tǒng)的太陽能熱動力發(fā)電系統(tǒng)包括發(fā)電子系統(tǒng)、傳熱和蓄熱系統(tǒng)、集熱子系統(tǒng)。集熱子系統(tǒng)由聚光系統(tǒng)、管式集熱器和跟蹤系統(tǒng)等部件構(gòu)成。太陽光輻射經(jīng)過聚光系統(tǒng)匯聚后形成了高倍匯聚的太陽能輻射能，照射到安裝在聚光系統(tǒng)焦平面處的管式集熱器上，加熱管式集熱器內(nèi)的換熱流體，產(chǎn)生熱水或蒸汽驅(qū)動發(fā)動機(jī)，進(jìn)而帶動電機(jī)產(chǎn)生電能。</p><p>　　由于受晝夜、季節(jié)、地理緯度和天氣變化等因素的影響，太陽

23、能的熱利用具有顯著的間斷性和不均勻性，導(dǎo)致太陽能管式集熱器承受反復(fù)高溫差的熱沖擊循環(huán)，管式集熱器容易產(chǎn)生高的熱應(yīng)力并引發(fā)管式集熱器玻璃管罩破裂以及管式集熱器的彎曲變形并最終失效[4]。如：墨西哥國立大學(xué)太陽能熱發(fā)電站在實驗和運行中，多次發(fā)生不銹鋼管式太陽能管式集熱器大彎曲變形并引發(fā)玻璃罩破裂的事故[4-9]；美國Solar One電站和西班牙CESA–I電站都發(fā)生過熱應(yīng)變引起管式集熱器的失效而導(dǎo)致太陽能熱動力發(fā)電站停止運行的事故[10]

24、。因此，開展對太陽能聚集系統(tǒng)管式集熱器的溫度場、熱應(yīng)變以特性的研究，對防止太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)在實際運行過程中運行溫度過高以及抑制熱應(yīng)變產(chǎn)生具有重要的指導(dǎo)意義，同時也能為研究太陽能高溫?zé)崂眠^程中熱、力學(xué)行為提供理論基礎(chǔ)。</p><p>　　管式集熱器的溫度場及熱應(yīng)變研究現(xiàn)狀</p><p>　　管式集熱器是太陽能熱動力發(fā)電系統(tǒng)中的最主要關(guān)鍵部件之一，管式集熱器效率的高低，對整個太陽能熱動力

25、發(fā)電系統(tǒng)效率有著重要的影響[11-13]。管式集熱器主要由兩大部分組成：吸熱體（或吸熱板）和含有選擇性透過涂層的光學(xué)窗口：吸熱體（或吸熱板）的基本功能是吸收聚光系統(tǒng)匯聚后的太陽輻射能，通過導(dǎo)熱、對流和輻射耦合換熱的方式將匯聚后的太陽能轉(zhuǎn)化為熱能，并傳遞給傳熱工質(zhì)；光學(xué)窗口的主要作用是增強太陽輻射的透過率，使其投射在吸熱體上，同時減少吸熱體在溫度升高后向環(huán)境的輻射散熱損失和對流散熱損失[14-16]。由于管式集熱器的表面受到聚光系統(tǒng)匯聚后

26、的非均勻熱流密度以及間歇太陽能熱流的特點，管式集熱器容易承受高的熱應(yīng)力并引發(fā)玻璃罩的破裂及管式集熱器的彎曲并最終失效[4-8]。因此，對管式集熱器的溫度和熱應(yīng)變特性的研究可以為提高管式集熱器的熱效率、解決管式集熱器在運行過程中因溫度以及熱變形量過高而導(dǎo)致的失效問題提供參考性建議。</p><p>　　管式集熱器的溫度場研究現(xiàn)狀</p><p>　　美國科羅拉多州立大學(xué)的Harris等[17

27、]于1985年采用理論分析的方法對圓柱形、平頂錐形、橢圓形、球形及復(fù)合平頂錐形腔體式太陽能管式集熱器在工作溫度范圍為550–900ºC時的熱性能及熱損失進(jìn)行了分析，分析過程中考慮了六種熱損失：拋物型碟式及槽式聚光系統(tǒng)的鏡面反射損失、鏡面誤差損失、管式集熱器內(nèi)部高溫?zé)彷椛浜头瓷鋼p失、管式集熱器開口處的對流換熱損失及管式集熱器壁面與保溫層的導(dǎo)熱損失。西班牙的M.I.Roldán等人[18]通過計算流體力學(xué)軟件Fluent

28、對采用過熱蒸汽條件下拋物槽式太陽能聚光系統(tǒng)的管式集熱器管壁的溫度場分布進(jìn)行了模擬研究，并通過實驗測量對模擬結(jié)果進(jìn)行了驗證。</p><p>　　2008年，德國航天中心的Lüpfert等采用14支測量精度為±2.5K的鎧裝熱電偶對長度為4m的銅質(zhì)管式太陽能管式集熱器的熱性能進(jìn)行了研究：管式太陽能管式集熱器的直徑為50mm，外層敷5mm厚的巖棉保溫層；加熱功率為5900W的電加熱器插入管式太陽能

29、管式集熱器的內(nèi)部進(jìn)行加熱；管式集熱器內(nèi)部流體為導(dǎo)熱油（Syltherm800）,流體的流速測量采用渦街質(zhì)量流量計[19]。所有的實驗都是基于熱平衡條件下進(jìn)行測試的，在測試的過程中沒有考慮輻射換熱損失。2009年，西班牙Villar等基于微小體積內(nèi)的能量與質(zhì)量守恒原理開發(fā)了一種新的三維瞬態(tài)數(shù)學(xué)模型來計算平板式太陽能集熱器的熱效率；這種新模型不但考慮了材料物性隨溫度變化的特性，而且還考慮了太陽能集熱器與蜂窩狀保溫層之間的隔熱性能對太陽能集熱

30、器熱效率的影響；為了驗證模型的可靠性，Villar等還分析了不均勻流速工況下平行管式太陽能集熱器的熱效率，并將計算結(jié)果與實驗結(jié)果進(jìn)行對比分析[20]。</p><p>　　管式集熱器的熱應(yīng)變特性研究現(xiàn)狀</p><p>　　2014年，中國科學(xué)院的吳志勇等人采用商業(yè)軟件Fluent與Ansys聯(lián)合計算的方法對管式太陽能管式集熱器的熱應(yīng)力及熱變形進(jìn)行了數(shù)值分析[21]。在分析過程中首先通過M

31、CRT法獲得管式太陽能管式集熱器外表面受到的太陽能總輻射熱流，再通過商業(yè)軟件Fluent模擬獲得管式集熱器的溫度場分布，最后將Fluent計算得到的網(wǎng)格節(jié)點溫度場導(dǎo)入到Ansys中，并作為管式太陽能管式集熱器熱應(yīng)變分析的溫度載荷，計算獲得熱應(yīng)變的分布特性。管式太陽能管式集熱器中的玻璃罩與金屬管連接密封節(jié)的破裂是引起槽式太陽能熱動力發(fā)電站事故的主要原因之一，而密封節(jié)在制造過程中由于冷卻工藝而產(chǎn)生的殘余應(yīng)力降低了密封節(jié)的強度并容易引發(fā)密封節(jié)

32、的損壞。中科院電工所的王志峰等于2010年采用商業(yè)軟件Ansys對密封節(jié)的殘余應(yīng)力進(jìn)行了分析，并將數(shù)值模擬結(jié)果與實驗結(jié)果進(jìn)行了對比驗證；為了提高密封節(jié)的可靠性，王志峰等采用有限元法對玻璃罩、金屬管及連接密封節(jié)進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計，優(yōu)化設(shè)計結(jié)果顯示隨著玻璃罩與金屬管的接觸面積的增大，密封節(jié)的殘余應(yīng)力降低，密封節(jié)的強度增大[22]。</p><p>　　Verlotski等人采用實驗的方法對管式太陽能管式集熱器的熱應(yīng)力影響

33、因素進(jìn)行了分析，實驗結(jié)果表明通過控制流體流速和采用新型合金材料可以有效的降低管式太陽能管式集熱器的熱應(yīng)力[22]。墨西哥國立大學(xué)的槽式太陽能發(fā)電站中的管式太陽能管式集熱器在實驗和運行過程中多次發(fā)生了管式集熱器的大變形及損壞，并導(dǎo)致了玻璃罩的破裂，引起太陽能發(fā)電站的停產(chǎn)等事故。為了解決由于管式集熱器在運行過程中受到熱流密度不均勻而引起高熱應(yīng)力的情況，Almanza和Flores等提出了采用銅管式太陽能管式集熱器替代不銹鋼管式太陽能管式集熱

34、器，并提出了一種銅–不銹鋼雙層管式太陽能管式集熱器；實驗結(jié)果表明，銅–不銹鋼雙層管式太陽能管式集熱器能夠有效的解決管式太陽能管式集熱器在實驗和運行中發(fā)現(xiàn)的大變形現(xiàn)象[3]。</p><p>　　內(nèi)翅片管換熱器的研究現(xiàn)狀</p><p>　　內(nèi)翅管的加工手段主要是采用特殊的焊接工藝和設(shè)備，基于普通圓管，在其內(nèi)壁面加工出不同形狀和結(jié)構(gòu)類型的翅片或肋片。這種特殊結(jié)構(gòu)能夠增加換熱管內(nèi)的傳熱面積，同

35、時有效促進(jìn)管內(nèi)流體的擾動，從而達(dá)到管內(nèi)強化傳熱的目的。但是通常情況下，翅片使在增加換熱管傳熱系數(shù)時，管內(nèi)的摩擦阻力損失也相應(yīng)增加。內(nèi)翅片管于二十世紀(jì)七十年代提出并開始快速發(fā)展，起初內(nèi)翅片主要是針對單相傳熱[44-46]，直到二十世紀(jì)九十年代又開發(fā)出應(yīng)用于相變傳熱的翅片管[47]。近年來，隨著計算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，利用數(shù)模模擬方法對內(nèi)翅片管的研究逐漸增多。Zhang和Faghri[48]采用有限差法研究了某熱能存儲系統(tǒng)內(nèi)使用內(nèi)翅片管后的強化傳

36、熱現(xiàn)象。分析發(fā)現(xiàn)，增加翅片的高度、厚度以及翅片個數(shù)都可以顯著增強換熱；此外，在低雷諾數(shù)下，傳輸?shù)蜔釋?dǎo)率的熔融流體時，內(nèi)翅片管的強化效果最為顯著。Rout等[49]應(yīng)用有限體積法研究了二維軸對稱內(nèi)翅片的傳熱性能，考察了翅片的形狀、尺寸、數(shù)量對傳熱性能的影響。研究結(jié)果表明存在一個最優(yōu)的翅片數(shù)量能夠保持管壁溫度在最低水平。另外，相比于矩形和T形翅片，三角形翅片所能達(dá)到的管壁溫度最低。國外對內(nèi)翅片管的研究進(jìn)行的相</p><

37、p><b>　　本文的主要研究內(nèi)容</b></p><p>　　本文將采用商業(yè)軟件Fluent對太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)中管式集熱器與D12導(dǎo)熱油的流動與換熱特性進(jìn)行數(shù)值模擬研究。本文的主要研究內(nèi)容如下：</p><p>　　建立拋物槽式太陽能聚光系統(tǒng)中的管式集熱器模型，采用商業(yè)軟件Fluent對管式集熱器模型的流動與換熱情況，溫度分布特性進(jìn)行數(shù)值模擬研究；改變管式集熱

38、器管內(nèi)流體的雷諾數(shù)，研究雷諾數(shù)變化對管式集熱器上的流動與換熱情況，溫度分布特性的影響規(guī)律，其中的研究對象主要有對流換熱系數(shù)，平均努塞爾數(shù)，擾流管平均努塞爾數(shù)和光管平均努塞爾數(shù)的比值，綜合傳熱因子等。</p><p>　　利用Fluent中的udf功能，自定義函數(shù)，將D12導(dǎo)熱油的物性參數(shù)隨溫度變化的規(guī)律擬合成函數(shù)式，寫成C語言代碼，導(dǎo)入Fluent中；利用蒙特卡洛光線追蹤法得到集熱器管壁外周的太陽能熱流密度分布規(guī)

39、律，將其整理成函數(shù)式，再寫成C語言代碼導(dǎo)入fluent中應(yīng)用。</p><p>　?。?）在太陽能集熱管內(nèi)壁面放置擾流柱群，研究以內(nèi)置擾流柱群管作為集熱器的流動與換熱情況，溫度分布特性；主要考察雷諾數(shù)、柱群無量綱組間距兩個參數(shù)對管式集熱器流動與換熱情況，溫度分布特性的影響，評估綜合換熱性能。</p><p>　?。?）結(jié)合雷諾數(shù)（Re），柱群無量綱組間距（x/L），圓周擾流柱數(shù)目（N）等因

40、素，綜合分析集熱器的流動與換熱情況，溫度分布特性，以綜合傳熱因子為評判指標(biāo)，提出不同雷諾數(shù)下最優(yōu)化的工況和幾何參數(shù)。</p><p>　　太陽能管式集熱器內(nèi)流動及換熱模型</p><p><b>　　引言</b></p><p>　　本章將對太陽能集熱系統(tǒng)的圓管式集熱器進(jìn)行研究，為后續(xù)新型集熱器的研究提供指導(dǎo)，主要研究方法是采用Fluent軟件

41、進(jìn)行分析，重點研究流動換熱情況及溫度場分布特性。</p><p><b>　　模型建立</b></p><p><b>　　物理模型</b></p><p>　　如圖2-1所示為拋物槽式太陽能聚光系統(tǒng)的整體示意圖，太陽光沿y軸方向入射，經(jīng)過槽式聚光系統(tǒng)聚集并反射后，照射到太陽能管式集熱器外表面下半部分。太陽能管式集熱器外表

42、面的下半部分受到高匯聚太陽光的照射，而管式集熱器外表面上半部分受到非匯聚的太陽光照射。因此，管式太陽能集熱器外表面的熱流密度場分布為高度非均勻的，太陽能管式集熱器容易承受高的溫度梯度，并引起高的熱應(yīng)力而導(dǎo)致管式集熱器的失效[3]。</p><p>　　表2-1 拋物槽式太陽能聚光系統(tǒng)中管式集熱器各結(jié)構(gòu)參數(shù)</p><p>　　圖2-2和圖2-3所示為太陽能管式集熱器結(jié)構(gòu)與換熱關(guān)系的示意圖，

43、由圖2-2可以看出太陽能管式集熱器為金屬—玻璃真空管結(jié)構(gòu)構(gòu)成，最外層是一層很薄的透明玻璃罩，它的太陽光透過率為0.965，接近于1。內(nèi)層為管式集熱器的集熱管，為了降低管式集熱器的熱損失，一般會在管式集熱器外表面涂一層選擇性涂層。玻璃罩與管式集熱器之間是真空環(huán)境，換熱流體在管式集熱器內(nèi)流動。管式集熱器各部分尺寸如表2-1所示。</p><p>　　圖2-1 拋物槽式太陽能聚光系統(tǒng)的整體示意圖 圖2-2 管式集熱器

44、剖面示意圖</p><p>　　圖2-3 拋物槽式太陽能聚光系統(tǒng)管式集熱器示意圖</p><p><b>　　數(shù)學(xué)模型</b></p><p>　　在太陽能熱動力發(fā)電系統(tǒng)管式集熱器的數(shù)值模擬過程中，太陽能管式集熱器內(nèi)換熱流體的流動和換熱過程都要受質(zhì)量守恒定律、動量守恒定律及能量守恒定律的支配。</p><p><b

45、>　?。?）質(zhì)量守恒方程</b></p><p><b>　　(2–1)</b></p><p><b>　　（2）動量守恒方程</b></p><p><b>　　(2–2)</b></p><p><b>　　(2-3)</b><

46、;/p><p><b>　　(2-4)</b></p><p><b>　?。?）能量守恒方程</b></p><p><b>　　流體項：</b></p><p><b>　　(2-5) </b></p><p>　　式中 Φ耗散函

47、數(shù)；</p><p>　　αv體脹系數(shù)，由公式求得：</p><p>　　對于常物性不可壓縮流體并忽略耗散函數(shù)，公式(2-5) 可以簡化為：</p><p><b>　　(2-6)</b></p><p><b>　　固體項：</b></p><p><b>　　(

48、2-7)</b></p><p>　　2.1.2.1湍流模型選擇</p><p>　　湍流流動是非常復(fù)雜的流動，在計算湍流流動時，需要附加湍流方程，湍流模型方程的選擇要根據(jù)實際情況進(jìn)行選擇。為了能全面、精確地對所有流動問題中的湍流現(xiàn)象進(jìn)行模擬，F(xiàn)luent中提供了多種湍流模型供使用者選擇。</p><p>　?。?）標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型</p>

49、<p>　　標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型是由Launder和Spalding于1972年提出的，是目前工程流體計算的主要模型，具有適用范圍廣、經(jīng)濟(jì)、計算快捷而且有合理精度的優(yōu)點。它主要基于湍流動能和擴(kuò)散率。它的主要方程如式（2-8）和式（2-9）所示：</p><p><b>　　湍流動能方程：</b></p><p><b>　?。?-8）</b>

50、</p><p><b>　　湍流耗散率：</b></p><p><b>　?。?-9）</b></p><p>　　式中 C1ε，C2ε，C3ε經(jīng)驗常數(shù)；</p><p>　　σk、σε分別對應(yīng)于湍流動能k和耗散率ε的普朗特數(shù)；</p><p>　　Gk由層流速度梯度而

51、產(chǎn)生的湍流動能；</p><p>　　Gb由浮力而產(chǎn)生的湍流動能；</p><p>　　Sk、Sε用戶自定義的原項；</p><p><b>　　Cμ湍流常數(shù)。</b></p><p>　?。?）RST雷諾應(yīng)力模型</p><p>　　RST是RANS中制作最精細(xì)的模型。放棄等方性邊界速度假設(shè)，R

52、ST使得雷諾平均N-S方程封閉，解決了關(guān)于方程中的雷諾壓力及耗散速率。建立雷諾應(yīng)力輸運方程：</p><p><b>　?。?-10）</b></p><p><b>　?。?-11）</b></p><p><b>　　（2-12）</b></p><p><b>

53、　?。?-13）</b></p><p><b>　?。?-14）</b></p><p><b>　?。?-15）</b></p><p><b>　?。?-16）</b></p><p><b>　?。?-17）</b></p>

54、<p>　　RST可以考慮一些各項異性效應(yīng)。在計算突擴(kuò)流動分流區(qū)和計算湍流輸運各項異性較強的流動時RST優(yōu)于雙方程模型。就三維問題而言，采用RST意味著要多求解6個Reynolds應(yīng)力微分方程，計算量大，對計算機(jī)要求高；本文中的模型流動是簡單的圓管內(nèi)湍流問題，采用標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型不但可以節(jié)約計算時間而且能夠滿足計算精度要求。因此，本文中選用標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型進(jìn)行本文的模擬研究。</p><p>　　2.1

55、.2.2 輻射模型選擇</p><p>　　Fluent中的輻射模型主要有5種輻射模型：DTRM模型、P1模型、Rosseland模型、P1模型、S2S模型。</p><p>　　2.1.2.3太陽加載模型</p><p><b>　　1、DTRM模型</b></p><p>　　FLUENT中提供了太陽加載模型對計算區(qū)

56、域中的太陽輻射熱流的作用進(jìn)行仿真，模型包含了兩個選項：太陽線跟蹤選項和DO輻照選項。太陽線跟蹤選項是使用射線跟蹤模型將太陽輻射載荷用于能量方程中原項的方法。DO輻照選項是使用離散坐標(biāo)（DO）模型計算進(jìn)入計算域中的輻射載荷的方法，并且包含了可用于直接對DO模型提供外部射線方向和強度參數(shù)的選項。太陽加載模型包括了太陽計算器，能夠計算給定日期、時間、和位置的太陽方位。太陽加載模型只在3D求解器中使用，并能夠用于穩(wěn)態(tài)和非穩(wěn)態(tài)流場計算[27]。&

57、lt;/p><p>　　優(yōu)勢：（1）模型較為簡單。（2）可以通過增加射線數(shù)量來提高計算精度。（3）可以用于光學(xué)深度非常廣的情況下。</p><p>　　限制：（1）假定所有表面都是散射的。意味著表面的入射輻射是關(guān)于入射角各向同性反射的。（2）不包括散射效應(yīng)。（3）基于灰體輻射假定。（4）對于大數(shù)目的射線問題，非常耗費CPU時間。（5）不能與非共形交界面或滑移網(wǎng)格同時使用。（6）不能用于并行計算

58、中。</p><p><b>　　2、P1模型</b></p><p>　　優(yōu)勢：（1）輻射模型為一個擴(kuò)散方程，求解需要較少的CPU時間。（2）考慮了擴(kuò)散效應(yīng)。（3）對于光學(xué)深度比較大（如燃燒應(yīng)用中），P-1模型表現(xiàn)非常好。（4）P-1模型使用曲線坐標(biāo)很容易處理復(fù)雜幾何</p><p>　　限制：（1）假定所有的表面均為散射。（2）基于灰體輻射

59、假定。（3）在光學(xué)深度很小時，可能會喪失精度。（4）傾向于預(yù)測局部熱源或接收器的輻射通量。</p><p>　　3、Rosseland輻射模型</p><p>　　優(yōu)勢：相對于P-1模型，它不求解額外的關(guān)于入射輻射的傳輸方程，因此比P-1模型計算要快，且更節(jié)省內(nèi)存。</p><p>　　限制：只能用于光學(xué)深度比較大的情況，推薦用于光學(xué)深度大于3的情況下；不能用于密度

60、基求解器。</p><p><b>　　4、DO模型</b></p><p>　　DO模型能夠求解所有光學(xué)深度區(qū)間的輻射問題；能求解燃燒問題中的面對面輻射問題，內(nèi)存和計算開銷都比較適中。</p><p>　　DO模型能用于計算半透明介質(zhì)輻射。</p><p><b>　　5、S2S輻射模型</b>&

61、lt;/p><p>　　非常適用于封閉空間中沒有介質(zhì)的輻射問題（如航天器的排熱系統(tǒng)、太陽能收集系統(tǒng)、輻射供熱裝置等）。</p><p>　　限制：（1）假定所有表面均為散射的。（2）灰體輻射假設(shè)。（3）內(nèi)存和存儲量需求在表面增加時，增長得非常快。（4）不能用于participating radiation問題。（5）不能用于存在周期邊界的模型中。（6）不能用于存在對稱邊界問題中。（7）不支持非

62、共形交界面、懸掛節(jié)點或網(wǎng)格自適應(yīng)中。</p><p>　　本文模擬研究中主要考慮管式集熱器外壁面與玻璃罩內(nèi)壁面之間的輻射換熱，管式集熱器與玻璃罩之間是真空環(huán)境。因此，本文數(shù)值計算中選用S2S輻射模型計算輻射問題。</p><p><b>　　邊界條件</b></p><p><b>　　（1）流動邊界條件</b></

63、p><p>　　對于流體區(qū)域，其入口與出口的邊界條件定義如下：</p><p>　　入口：vz=vinlet, vr=vφ=0m/s, （L=0, 0≤R≤Ri, 0°≤φ≤360°）；</p><p><b>　　出口：自由出口；</b></p><p>　　管式集熱器內(nèi)壁面無滑移邊界條件：vz=vr=

64、vφ=0m/s, （R=Ri, 0°≤φ≤360°, 0≤L≤2）。</p><p><b>　?。?）熱邊界條件</b></p><p>　　流體的初始溫度Tf=Tin=300K；換熱流體與管式集熱器內(nèi)壁面之間為耦合換熱，管式集熱器受到太陽光照射，太陽能輻射熱量采用蒙特卡洛法計算得到，在Fluent中采用udf進(jìn)行定義；為增加太陽能的吸收率，在管

65、式集熱器外壁面涂有選擇性涂層。</p><p>　　表2-2 選擇性涂層、管式集熱器與玻璃罩</p><p><b>　　udf編譯</b></p><p>　　本文中集熱器管內(nèi)換熱流體采用D12導(dǎo)熱油，它的各個物性參數(shù)均隨溫度變化而變化。在Fluent模擬計算過程中除比熱容外，其余各參數(shù)均采用udf法定義，由于受Fluent自身限制，無法使用

66、udf法定義比熱容，本文中采用分段線性函數(shù)（piecewise-linear）對其進(jìn)行線性擬合。導(dǎo)熱油的各個物性參數(shù)的函數(shù)關(guān)系式如下：</p><p><b>　?。?-18）</b></p><p><b>　?。?-19）</b></p><p><b>　　（2-20）</b></p>

67、;<p><b>　?。?-21）</b></p><p>　　入射的太陽光線經(jīng)過聚光系統(tǒng)匯聚后，形成了高倍匯聚的太陽能輻射熱流照射到管式集熱器上，本文中將通過蒙特卡洛法計算得到的管式太陽能集熱器的入射熱流密度場采用擬合函數(shù)法進(jìn)行多段函數(shù)擬合，得到如式（2-22）所示的六個多項式函數(shù)。</p><p>　　圖2-4太陽能管式集熱器的入射熱流密度場分布圖&

68、lt;/p><p>　　表2-3 不同位置的熱流密度</p><p>　　在Fluent模擬過程中采用太陽加載模型加載太陽輻射熱流，采用udf功能定義入射的熱流。圖2-3為入射熱流的密度場分布圖。</p><p>　　本文將采用有限體積法對控制方程進(jìn)行離散，并應(yīng)用穩(wěn)態(tài)隱式格式進(jìn)行求解。采用SIMPLE算法處理壓力和速度耦合問題，對流項的離散格式為QUICK。動量方程采用

69、二階迎風(fēng)離散格式。固體壁面采用無滑移壁面邊界條件。定義收斂條件為能量方程的殘差絕對值小于10-6，并且其他變量的相對誤差小于10-4。</p><p>　　網(wǎng)格劃分及無關(guān)性驗證</p><p><b>　　網(wǎng)格劃分</b></p><p>　　本文采用Ansys Workbench中提供的ICEM網(wǎng)格劃分模塊對管式太陽能集熱器模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，

70、如圖2-6所示，網(wǎng)格劃分過程中采用映射網(wǎng)格技術(shù)產(chǎn)生O型結(jié)構(gòu)化六面體網(wǎng)格?？紤]到在擾流柱群存在的區(qū)域幾何分布不規(guī)則，如圖2-7所示，在擾流區(qū)域采用四面體網(wǎng)格，同時考慮到管長相對于管徑較大，在直管段采用結(jié)構(gòu)網(wǎng)格劃分，因此本文中的管式集熱器網(wǎng)格劃分采用結(jié)構(gòu)網(wǎng)格與非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格公共面上節(jié)點融合的方式生成。并且模型在流體流動方向具有周期性，故采用周期性網(wǎng)格工具生成整體網(wǎng)格。計算域有流體區(qū)域和固體區(qū)域，邊界條件在Fluent中設(shè)置。</p>

71、<p>　　圖2-5 結(jié)構(gòu)網(wǎng)格與非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格融合示意圖 圖 2-6 O-型網(wǎng)格劃分示意圖</p><p><b>　　網(wǎng)格無關(guān)性驗證</b></p><p>　　網(wǎng)格疏密對數(shù)值計算的結(jié)果影響很大，只有當(dāng)網(wǎng)格數(shù)的增加對計算結(jié)果影響不大時，這是的數(shù)值模擬計算結(jié)果才具有意義。可以采用較為粗一些的網(wǎng)格,等有一些計算結(jié)果之后,不斷地進(jìn)行網(wǎng)格的局部細(xì)分,即網(wǎng)格自

72、適應(yīng)技術(shù),這樣可以兩全了。直到認(rèn)為"網(wǎng)格疏密對計算結(jié)果影響不大。</p><p>　　圖2-7 熱通量隨著網(wǎng)格數(shù)量變化關(guān)系</p><p>　　為了驗證網(wǎng)格的無關(guān)性，在結(jié)構(gòu)網(wǎng)格區(qū)域，在劃分完成的塊的基礎(chǔ)上，對邊劃分不同的節(jié)點數(shù)，在自動體網(wǎng)格生成區(qū)域控制最大網(wǎng)格尺寸，可以得到不同數(shù)量的網(wǎng)格數(shù)。本文劃分了7萬，33萬，49萬，71萬，150萬，230萬六種數(shù)量的網(wǎng)格。以整體流固耦合面

73、平均熱流密度和擾流區(qū)流固耦合面平均熱流密度為評判標(biāo)準(zhǔn)。由圖2-7可以看出，當(dāng)網(wǎng)格的數(shù)量上升后，平均熱流密度的變化幅度很小，當(dāng)網(wǎng)格數(shù)量大于100萬時，網(wǎng)格對于結(jié)果的影響可以忽略，同時考慮到本文數(shù)值模擬的計算量非常大，為節(jié)約計算時間本文將選擇網(wǎng)格數(shù)量為100萬左右進(jìn)行計算。</p><p><b>　　模型驗證</b></p><p>　　模型驗證是數(shù)值模擬實驗的重要部分

74、，它用來檢測模擬是否可靠。一般用相同工況下的實驗數(shù)據(jù)和模擬數(shù)據(jù)進(jìn)行對比分析。</p><p>　　西班牙學(xué)者M(jìn).I.Roldán等人在Thermal analysis of solar receiver pipes with superheated steam文章中，以過熱蒸汽為傳熱載體對管式集熱器壁面溫度分布進(jìn)行了數(shù)值模擬與實驗研究，本文將采用他們實驗的初始條件進(jìn)行數(shù)值模擬，并將模擬結(jié)果與其實驗數(shù)據(jù)進(jìn)

75、行對比驗證，表2-4所示為M.I.Roldán等人實驗的初始條件[18]。</p><p>　　表2-4 M.I.Roldán等人實驗的初始條件[18]</p><p>　　圖2-8 不同算例時出口壁面最高溫度 圖2-9 不同算例時出口壁面最低溫度</p><p>　　由于管式集熱器壁面溫度分布對于換熱情況的變化敏感，因此，采用出口壁面上

76、的最高和最低溫度作為模型驗證的指標(biāo)非常合理可靠。圖2-8與圖2-9所示為數(shù)值模擬結(jié)果與實驗測量數(shù)據(jù)的對比曲線圖，可以看出實驗數(shù)據(jù)與模擬結(jié)果吻合良好，數(shù)據(jù)顯示誤差均小于2%。圖2-10與圖2-11所示分別為管式集熱器出口截面上實驗測量與數(shù)值模擬的溫度云圖，兩張云圖溫度分布相似，因此，數(shù)值模擬的結(jié)果是可信的。</p><p>　　圖2-10 實驗測量溫度云圖（算例6） 圖2-11 數(shù)值模擬溫度云圖（算例6）<

77、;/p><p><b>　　本章小結(jié)</b></p><p>　　本章提出了本文的研究內(nèi)容與方法，主要工作有：</p><p>　?。?）以對管式集熱器的傳熱過程分析為基礎(chǔ)，結(jié)合用戶自定義函數(shù)，建立了太陽能管式集熱器物理模型并對其進(jìn)行網(wǎng)格劃分及無關(guān)性驗證。</p><p>　?。?）分析了研究過程中所采用的湍流模型、輻射模型

78、；介紹了本文數(shù)值模擬研究的邊界條件以及udf編譯。</p><p>　　（3）對本文的模型與模擬方法進(jìn)行了實驗對比驗證，實驗數(shù)據(jù)與模擬結(jié)果對比，誤差均小于2%，確保了本文模擬結(jié)果的可靠性。</p><p>　　圓管式太陽能集熱器流動與換熱特性研究</p><p>　　管式集熱器是太陽能熱動力發(fā)電系統(tǒng)中的最主要關(guān)鍵部件之一，管式集熱器效率的高低與運行的可靠性，對整個系

79、統(tǒng)有著重要的影響[11-13]。管式集熱器是將太陽輻射能轉(zhuǎn)化為導(dǎo)熱油內(nèi)能的重要部件，它的表面受到聚光系統(tǒng)匯聚后的太陽光照射并產(chǎn)生不均勻的熱流，因此，管式集熱器的溫度分布也是高度不均勻的，不均勻的溫度分布會引發(fā)管式集熱器承受高的熱應(yīng)力并產(chǎn)生熱變形最終引發(fā)玻璃管罩的破裂及管式集熱器的彎曲并失效。</p><p>　　本章基于上一章建立的太陽能集熱器流動傳熱模型，將著重分析圓管式太陽能集熱器的溫度分布與換熱特性的變化規(guī)

80、律，探究耦合換熱時的流動和換熱特性。</p><p>　　圓管式太陽能集熱器換熱特性研究</p><p>　　圖3-1 v=0.5m/s、T=300K時管式集熱器壁面熱流密度分布圖（W）</p><p>　　圖3-2 v=0.05m/s、T=300K時 圖3-3 v=0.05m/s、T=300K時</p><p>　　管

81、式集熱器及內(nèi)部流體溫度分布圖（K） 面平均溫度隨坐標(biāo)變化圖</p><p>　　圖3-4 v=0.05m/s、T=300K時 圖3-5 v=0.5m/s、T=300K</p><p>　　管式集熱器壁面溫度分布(K) 管式集熱器壁面溫度分布(K)</p><p>　　如圖3-1所示為Re=21377時圓管式太陽能集

82、熱器壁面上的熱流分布云圖，我們可以看出，受到匯聚太陽光照射的表面熱流可超40000W，而受到非匯聚太陽光照射的表面熱流則處于4000W以下，整個管式集熱器外周的熱流密度分布高度不均勻。由圖3-2和圖3-3可以看出，由于換熱工質(zhì)沿流動方向不斷被加熱，管式集熱器壁和流體溫度沿流動方向不斷升高，在出口截面處溫度將達(dá)到最高值。圖3-4和圖3-5所示分別為Re=2138和Re=21377時管式集熱器外壁面上的溫度分布，可以看出，管式集熱器壁面溫度

83、分布規(guī)律與熱流分布相似，受到匯聚太陽光照射的壁面溫度高于非匯聚太陽光照射的壁面溫度。對比圖3-4和圖3-5，可以看出雷諾數(shù)越大，管式集熱器壁面的溫度分布就相對越均勻。</p><p>　　管壁上最高溫度與最低溫度的差值可以反映熱應(yīng)力的變化情況，因為高的溫度梯度會產(chǎn)生高的熱應(yīng)力。如圖3-6所示為管壁最大溫差隨著雷諾數(shù)變化的關(guān)系。隨著雷諾數(shù)的增加，管壁最大溫差在逐漸下降，下降的趨勢減緩，說明到達(dá)一定雷諾數(shù)時，雷諾數(shù)的

84、對于溫差的影響逐漸減弱，此時需要采取其他措施來降低管壁最大溫差。</p><p>　　圖3-6 不同雷諾數(shù)下的管壁最大溫差</p><p>　　為具體量化研究雷諾數(shù)變化在增強換熱方面的效果，本章定義一等效對流換熱系數(shù)h：</p><p><b>　?。?-1）</b></p><p>　　式中 H——管式集熱器壁面與換

85、熱流體間的耦合換熱量（W）；</p><p>　　Tt-a——管式集熱器內(nèi)壁面平均溫度（K）；</p><p>　　Tf-a——換熱流體平均溫度（K）。</p><p><b>　　相應(yīng)地：</b></p><p><b>　?。?-2）</b></p><p>　　同時，換

86、熱元件的評價指標(biāo)不僅僅是傳熱特性（Nu），同時還要考慮到它的阻力特性，阻力特性主要由范寧摩擦因子（f）來評判。</p><p><b>　?。?-3）</b></p><p>　　式中 D——特征長度；</p><p><b>　　L——管長；</b></p><p><b>　　ρ——

87、平均密度；</b></p><p>　　Tw——壁面剪切應(yīng)力；</p><p><b>　　Ub——平均速度；</b></p><p>　　ΔP——進(jìn)出口壓力差。</p><p>　　圖3-7 不同雷諾數(shù)下的Nu和f</p><p>　　圖3-7為不同雷諾數(shù)下的努塞爾數(shù)（Nu）和范寧摩

88、擦因子（f）。由圖可以看出雷諾數(shù)的增加意味著流速的增加，流體的流速越高，流體的熱邊界層厚度越薄，壁面熱阻越小、對流換熱系數(shù)和努塞爾數(shù)越高，換熱強度越高。努塞爾數(shù)增加的同時范寧摩擦因子在逐漸降低。</p><p>　　根據(jù)上文的研究，結(jié)合雷諾數(shù)對圓管式太陽能管式集熱器換熱性能的影響，得出Nu與f的回歸關(guān)聯(lián)式為：</p><p>　　在低雷諾數(shù)區(qū)和高雷諾數(shù)區(qū)采用不同的函數(shù)模型來擬合Nu<

89、/p><p>　　1979<Re<9107：</p><p><b>　?。?-4）</b></p><p>　　9108<Re<17286：</p><p><b>　　（3-5）</b></p><p><b>　?。?-6）</b&g

90、t;</p><p>　　因而，增加流體的雷諾數(shù)能夠有效地強化管式集熱器與流體間的耦合換熱，改善管式集熱器的溫度分布狀況；但雷諾數(shù)的影響力度將會隨著它的增加而不斷減弱；而溫度差是導(dǎo)致管式集熱器上熱應(yīng)力產(chǎn)生的主要原因，因此，可以預(yù)測隨著雷諾數(shù)的增加管式集熱器上的因熱應(yīng)力而產(chǎn)生的熱應(yīng)變也會不斷減小。</p><p>　　圓管式太陽能集熱器流動特性研究</p><p>　

91、　湍流動能有分量湍流動能和湍流總動能之分。湍流總動能隨時間的變化體現(xiàn)湍流動能的凈收支，是衡量湍流發(fā)展或衰退的指標(biāo)。湍流擴(kuò)散方差與分量湍流能量呈正比，是衡量湍流混合能力的重要指標(biāo)。湍流動能（Turbulence Kinetic Energy)是湍流模型中最常見的物理量（k）之一。湍流動能越大，意味著流體的摻混越劇烈，流體的傳質(zhì)強度大，冷熱流體的對流傳熱強度增強，因此換熱強度也增大。</p><p>　　a)Re=1

92、1151時 b)Re=19332時</p><p>　　圖3-8 Re=11151（a）和Re=19332（b）管內(nèi)流體湍流動能分布</p><p>　　由圖3-8中我們可以看出，雷諾數(shù)大時，湍流動能也更大，在Fluent中Mass-Weighted Average Turbulent Kinetic Energy是指流體質(zhì)量平均湍流動能，它的值和管內(nèi)流

93、體流速有關(guān)，從圖3-9我們可以看出，管內(nèi)流體流速越大，它的流體質(zhì)量平均湍流動能越大，并且接近線性關(guān)系。</p><p>　　圖3-9 不同雷諾數(shù)下的TKE</p><p>　　圖3-10 不同TKE下的平均努塞爾數(shù)</p><p>　　湍流動能不同時，管式集熱器的換熱情況不同，從圖3-10我們可以看出，湍流動能越大，平均努塞爾數(shù)也越大，因為湍流動能大時，流體的摻混越

94、劇烈，此時冷熱流體互相傳質(zhì)強度提高，換熱效果會增強，并且流體的熱邊界層厚度也會變薄，壁面熱阻減小、對流換熱系數(shù)和努塞爾數(shù)越高。</p><p><b>　　本章小結(jié)</b></p><p>　　本章對太陽能管式集熱器上換熱與流動特性進(jìn)行數(shù)值模擬研究。分析模擬結(jié)果，結(jié)論如下：</p><p>　　由于太陽能管式集熱器表面接受的太陽能輻射熱流密度的

95、高度不均勻性，導(dǎo)致管式集熱器上溫度場分布同樣高度不均勻，巨大的溫度差將會導(dǎo)致管式集熱器管壁上產(chǎn)生很大的熱變形，降低系統(tǒng)的可靠性。</p><p>　?。?）由于換熱工質(zhì)沿流動方向不斷被加熱，管式集熱器壁和流體溫度沿流動方向不斷升高，在出口截面處溫度將達(dá)到最高值。</p><p>　?。?）通過改變管式集熱器入口處換熱流體的Re值，加大流動速度，以提高湍流度，減薄邊界層，降低對流熱阻；可以發(fā)

96、現(xiàn)，增加流體的雷諾數(shù)能夠有效地增加流體湍動，強化管式集熱器與流體間的耦合換熱，降低管式集熱器上的溫度差，改善管式集熱器的溫度分布狀況；從流動角度來看，Re越大，管內(nèi)流體的湍流動能也在增強，強化了冷熱流體的摻混。因此增加流體Re能夠有效提高耦合換熱強度，均勻化管式集熱器的溫度場，降低管式集熱器熱應(yīng)變，提高太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)的效率和壽命。</p><p>　　內(nèi)置擾流柱群管式太陽能集熱器的流動與換熱特性研究</p

97、><p>　　內(nèi)插件管是強化管程單相流體傳熱的有效措施之一。各種插入物強化傳熱的機(jī)理是：利用插入物使流體產(chǎn)生徑向流動，從而加強流體的混合，獲得較高的對流傳熱系數(shù)。</p><p>　　管內(nèi)插入物的類型有很多，主要有：麻花鐵、螺旋線圈、螺旋帶、螺旋片、扭帶和靜態(tài)混合器等。各種插入物的強化傳熱機(jī)理一般可有四種：（1）形成旋轉(zhuǎn)流。（2）破壞邊界層。（3）中心流體與管壁流體產(chǎn)生置換作用。（4）產(chǎn)生二次

98、流[30]。西北工業(yè)大學(xué)的朱惠人[31]在研究擾流柱群的文章中指出：（1）擾流柱直徑越大,壓力損失系數(shù)越大。在相同條件下，圓柱形擾流柱排的壓力損失系數(shù)要大于圓錐形擾流柱排的壓力損失系數(shù)。（2）圓柱形擾流柱排內(nèi)的換熱強化系數(shù)的增長速度比圓錐形擾流柱排要快，而且達(dá)到的最大值也較大。擾流柱直徑越大，在相同的局部位置處換熱強化系數(shù)越大。（3）當(dāng)擾流柱直徑增加時，其阻力的上升要比換熱的上升快的多。與圓柱形擾流柱相比，錐形擾流柱更有利于增強換熱。&

99、lt;/p><p>　　內(nèi)插件管作為一種高效的強化換熱元件，目前已在換熱器領(lǐng)域上有了廣泛的應(yīng)用[31]，但在太陽能熱動力發(fā)電領(lǐng)域卻很少有研究與應(yīng)用。本章將著重將研究以內(nèi)置擾流柱群管為管式集熱器的太陽能集熱器的流動與換熱特性；并通過改變內(nèi)置擾流柱群管的參數(shù)與管內(nèi)換熱流體的雷諾數(shù)，分析得到管式集熱器的流動換熱規(guī)律隨幾何參數(shù)與雷諾數(shù)變化的規(guī)律。</p><p>　　內(nèi)置擾流柱群管式太陽能集熱器模型&

100、lt;/p><p>　　圖4-1所示為內(nèi)置擾流柱群管的示意圖，本文中采用三維建模軟件Pro/E建立內(nèi)置擾流柱群管式集熱器的模型，采用Ansys Workbench中提供的ICEM網(wǎng)格劃分模塊對管式集熱器進(jìn)行網(wǎng)格劃分，劃分方法在第二章中提到。</p><p>　　圖4-1 內(nèi)置擾流柱群管示意圖</p><p>　　傳統(tǒng)內(nèi)翅片管一般在管內(nèi)壁圓周均布擾流件，而擾流內(nèi)插件的存在

101、會增大流動阻力，本文研究對象為拋物面槽式太陽聚光系統(tǒng)中的管式集熱器，它具有熱流密度分布高度不均勻的特性，因此綜合考慮換熱特性和阻力特性，本文中的內(nèi)置擾流柱群分布在管式集熱器的高溫側(cè)，在低溫側(cè)沒有分布。它的主要結(jié)構(gòu)參數(shù)包括單個擾流柱高度（h），單個擾流柱直徑（d），圓周方向上擾流柱數(shù)目（N），擾流組間距與管長的比值（x/L）。本文主要研究在h=2mm，d=4mm，N=5時，不同柱群無量綱組間距（x/L）下內(nèi)置擾流柱群式太陽能管式集熱器的流

102、動與換熱特性。</p><p>　　擾流柱群管式太陽能集熱器流動換熱特性研究</p><p>　　本節(jié)提出的內(nèi)置擾流柱群管式集熱器，采用有目的性地內(nèi)置擾流柱群，在熱流密度大的流動區(qū)域增加擾流，破壞流動邊界層，產(chǎn)生渦流，從而起到強化換熱和提高集熱系統(tǒng)效率的目的。</p><p>　　a）圓管 b）內(nèi)置擾流柱群管<

103、/p><p>　　圖4-2 Re=7063時TKE分布圖</p><p>　　圖4-2所示分別為Re=7063時的圓管式太陽能集熱器與內(nèi)置擾流柱群管式集熱器中截面上流體TKE云圖。對比兩圖可以看出，內(nèi)置擾流柱群式管式集熱器內(nèi)流體的湍流強度明顯強于圓管式管式集熱器，這是因為管內(nèi)含有許多個擾流柱，這些擾流柱相當(dāng)于渦流發(fā)生器，流體沖刷擾流柱時會產(chǎn)生渦流，引起邊界層的分離以及邊界層內(nèi)的流體擾動，從而達(dá)

104、到增強湍動、加快由壁面至流體主體的熱量傳遞和強化換熱的效果，同時，擾流柱的存在也增加了流固耦合面的面積，相當(dāng)于增大了換熱面積。</p><p>　　圖4-4和圖4-5分別為Re=5000時的圓管式太陽能管式集熱器與內(nèi)置擾流柱群式太陽能管式集熱器內(nèi)中段管壁溫度分布云圖，可以看出擾流柱上的溫度最低，擾流柱周圍的溫度明顯小于直管段溫度，這是因為擾流柱的存在強化了換熱，熱量從管壁向流體傳遞更加強烈，因此擾流區(qū)附近管壁溫度

105、低。當(dāng)Re=7063時，h=2mm，d=4mm，N=5，x/L=0.04擾流管的平均溫度為361.4K，光管的平均溫度為364.0K。</p><p>　　圖4-4 v=0.1m/s時管式集熱器內(nèi)壁面 圖4-5 v=0.1m/s時內(nèi)置擾流柱群管式吸</p><p>　　溫度云圖 溫度云圖</p><p&

106、gt;　　圖 4-7不同x/L下h隨Re變化曲線圖</p><p>　　從圖4-7和圖4-8可以看出，對流換熱系數(shù)和努塞爾數(shù)都隨著Re的增加而增加，這說明擾流管和光管一樣，隨著雷諾數(shù)增加，換熱效果增強，其中的機(jī)理在前文對于光管換熱特性研究中已經(jīng)提到。</p><p>　　此外，還可以發(fā)現(xiàn)，隨著x/L不斷的減?。鲃臃较蛏蠑_流組組數(shù)增加），換熱強度增加，這是因為流體沖刷擾流柱產(chǎn)生了渦流，破壞

107、了流動邊界層，增大了換熱強度。而且x/L越小、擾流柱組數(shù)越多、流體渦流現(xiàn)象越明顯，擾動越厲害，強化換熱效果越明顯。</p><p>　　圖4-8 不同x/L下Nu隨Re變化曲線圖</p><p>　　并且，由圖4-8可以看出，以擾流管努塞爾數(shù)與光管努塞爾數(shù)的比值Nu/Nux/L=1為評價指標(biāo)分析擾流管相對于光管的強化換熱程度可以看出，在雷諾數(shù)區(qū)間4000到10000，擾流管相對于光管的強化

108、換熱效果明顯，雷諾數(shù)增大時，強化換熱程度減弱，這與印度學(xué)者Rout等人論文[55]中的對于內(nèi)翅片管的強化換熱規(guī)律研究結(jié)論一致。</p><p>　　通常情況下，內(nèi)翅片管在增加傳熱系數(shù)時，管內(nèi)摩擦阻力會增加，以范寧摩擦因子為評價指標(biāo)，通過圖4-9可以看出，擾流管相對于光管的摩擦阻力上升了，并且隨著擾流組組數(shù)的增加，摩擦阻力增大，這是因為在流動過程中，擾流柱的存在會阻礙流體流動，增加摩擦阻力，流體流動方向上遇到阻礙越

109、多，其總的摩擦阻力就會越大，范寧摩擦因子會上升。這樣泵功損失也會增加。</p><p>　　圖4-8 不同x/L下Nu/Nux/L=1隨Re變化曲線圖</p><p>　　圖4-9 不同x/L下f隨Re變化曲線圖</p><p>　　通常情況下，內(nèi)翅片管在增加傳熱系數(shù)時，管內(nèi)摩擦阻力會增加，以范寧摩擦因子為評價指標(biāo)，通過圖4-9可以看出，擾流管相對于光管的摩擦阻力上

110、升了，并且隨著擾流組組數(shù)的增加，摩擦阻力增大，這是因為在流動過程中，擾流柱的存在會阻礙流體流動，增加摩擦阻力，流體流動方向上遇到阻礙越多，其總的摩擦阻力就會越大，范寧摩擦因子會上升。這樣泵功損失也會增加。</p><p>　　研究和開發(fā)高效換熱元件時，通常與傳統(tǒng)的光管換熱元件進(jìn)行性能對比分析。高效換熱元件相對于光管傳熱性能的增加的同時通常會伴隨流動阻力的增加。因此，需要引入一個評價標(biāo)準(zhǔn)來校核傳熱性能的增加量是否能

111、夠超過阻力增加所帶來的泵功損失，從而判斷波節(jié)管的綜合傳熱性能是否優(yōu)于光管，綜合傳熱因子的定義公式如下所示：</p><p>　　n=(Nur/Nug)3/(fr/fg) （4-1）</p><p>　　式中 r——擾流管；</p><p><b>　　g——光管。</b></p><p>

112、;　　圖4-10 不同x/L下綜合傳熱因子隨Re變化曲線圖</p><p>　　圖4-11 不同x/L下，相對摩擦因子隨Re變化規(guī)律</p><p>　　a） b）</p><p>　　圖4-12 Re=41838，a）光管與b）內(nèi)置擾流柱群管（x/L=0.04）的壁面溫度分布對比</p&g