吸热过程光-热耦合特性及复杂非稳态传热机理研究

太阳能热发电是太阳能的高品位利用方式,吸热器是太阳能热发电系统中用于聚光太阳辐射能与热能转换的核心部件。根据聚光器类型、传热介质、运行压力和温度的不同,吸热器主要有真空管式和腔体式两种类型。该课题针对极端条件(时空分布随机变化的高温、高热流密度),以提高吸热器吸热效率为目的,研究吸热器内辐射-导热-对流耦合的传热机理,构建设计各类吸热器需要遵循的理论架构,设计新型高效稳定的吸热器。该课题的研究对太阳能热发电的规模化进程具有非常重要的意义。实现了基于蒙特卡罗光线追踪法的自编数值模拟程序,获得了槽式、塔式和碟式吸热器吸热面上的聚焦太阳能流分布,实现了蒙特卡罗光线追踪法和用于求解流动传热问题的有限容积法的耦合,研究了太阳辐射由镜场到吸热器的一体化传播过程。研究了槽式太阳能吸热器内的流动换热特性,建立了槽式DSG集热器的稳态传热计算模型和动态模型,开发了两类管内强化传热技术;基于DSMC方法建立真空管空气夹层内稀薄气体传热模型;耦合管内对流传热、管壁导热、真空夹层稀薄气体传热及辐射传热、管外对流传热及辐射传热,可望建立真空管吸热器的跨尺度传热模型的数值预测方法。建立了腔式水工质吸热器和腔式熔融盐吸热器吸热性能的数学模型,获取了吸热器内部热流密度和吸热管道温度的分布规律以及吸热器的热损失。结合腔式吸热器热性能的数学模型,提出了由吸热器所需净能量推算吸热器开口所需太阳光能量的计算模型,发展了腔式吸热器启动过程性能模拟的数学模型,获得了吸热器启动过程开口所需能量数据曲线,吸热器启动过程的效率曲线和热损失曲线。研究了高温高压下空气吸热器内复杂耦合换热机理,分析了安装倾角、入口工质温度与质量流量等重要参数对有压腔式吸热器换热性能的影响;运用十四面体模型模拟多孔材料的内部结构,研究了多孔吸热结构内的对流传热特性。设计了搭建了太阳能空气吸热器实验平台,采用氙灯阵列模拟太阳辐射,多孔吸热材料表面可接受的辐射功率范围可达10 k W,热流密度可达2×106 W/m2;设计搭建了槽式DSG太阳能热发电实验研究系统,设计压力10 MPa、温度400°C,利用该实验系统除了对槽式DSG热发电系统进行试验研究外,还能对槽式热发电的集热器、聚光器的性能进行测试。     

太阳能斯特林热机循环热损失及热效率数值分析

基于实用施密特循环理论,在考虑流动阻力损失的基础上,建立太阳能斯特林热机的循环热损失及热效率数学模型.运用碟式太阳能斯特林热机的一个实例,着重分析了太阳能斯特林热机的各种热损失及热效率.研究结果表明：在各种热损失中,导热损失和穿梭传热损失所占的幅度相对较大,其中导热损失最显著.各种热损失与太阳能斯特林发动机的多种结构参数和设计性能参数密切相关,增加加热管内壁的温度,降低转速值可提高循环热效率.当热腔的温度大于750 K时,太阳能斯特林热机的循环热效率值将在卡诺效率值的65%~80%之间浮动.     

基于附壁效应的斯特林机多孔介质加热器传热特性研究

针对传统斯特林机加热器加热管管外出现“热点”现象,提出斯特林机的多孔介质型加热器,以提高加热管外传热平均温度。通过改进纽曼与包克附壁射流模型,提出斯特林机加热器多孔介质模型。通过本多孔介质模型下流动传热特性与Fu x.方程下的对流换热特性对比、同时分析不同流速与孔径下的加热管换热系数,验证出：在附壁效应下,多孔介质模型对碳化硅等大孔径、内部结构均匀且形状变化平滑的泡沫型多孔介质有较好的拟合特性。     

基于附壁效应的斯特林机多孔介质加热器传热特性

针对传统斯特林机加热器加热管管外出现"热点"现象,提出斯特林机的多孔介质型加热器,以提高加热管外传热平均温度。通过改进纽曼与包克附壁射流模型,提出斯特林机加热器多孔介质模型。通过本多孔介质模型下流动传热特性与Fu方程下的对流换热特性对比、同时分析不同流速与孔径下的加热管换热系数,验证出:在附壁效应下,多孔介质模型对碳化硅等大孔径、内部结构均匀且形状变化平滑的泡沫型多孔介质有较好的拟合特性。     

一个高度角循环周期中异型腔式吸热器热损失规律数值模拟

温度影响吸热器保温内气体空气物性参数,基于HOTTEL辐射模型和三维数值模拟方法,研究了某地区一个高度角循环周期中自然对流情况下38 k碟式太阳能斯特林热机异型吸热器的热损失变化规律,得到了异型吸热器的温度场云图、对流和辐射热损失的平均努塞尔数以及热损失各项所占比例.结果表明：在一个高度角循环周期中,在不同的时间点,各项热损失所占的比例不一样,对流热损失先减小后增大,辐射热损失和导热热损失较小,且对流热损失的变化比较明显,其余的变化较小;高度角对Nuc的影响较大,Nuc随着高度角变大,先减小后增大;高度角对Nuc的影响较小,其变化只在一个很小的范围内波动;在任何情况下热损失中,对流热损失大于辐射热损失,辐射热损失大于导热损失.     

多孔介质太阳能吸热器的非稳态传热

为了研究塔式太阳能多孔介质吸热器的非稳态传热特性,建立了该吸热器的非稳态传热模型,通过最小二乘拟合提出适合该类型吸热器多孔介质的体积对流换热系数模型,采用数值方法求解,分别分析典型的非稳态无量纲温度场以及平均颗粒直径、孔隙率、厚度与入口空气速度对非稳态无量纲温度场的影响.结果表明:为了减小吸热器的热应力破坏,相关参数选...     

螺旋折流板管壳式换热器壳程传热强化研究进展

在介绍螺旋折流板管壳式换热器的结构及原理的基础上,对壳程传热强化及阻力特性的研究现状进行了总结,分析了壳侧流体的流动和换热机理,表明螺旋折流板结构是改善壳侧流动换热性能的有效措施.与弓型折流板换热器相比,螺旋折流板换热器的最大特点是单位压降下的壳侧换热系数高.结合具体实例介绍了其在石油化工、能源动力及核能应用等行业中的应用前景.关于螺旋折流板换热器,还有许多问题需要进一步研究,如流动换热的机理以及影响流动换热机理的几何因素、相变情形、介质物性等.     

微通道太阳能平板集热器的集热性能试验

为进一步提高传统太阳能平板集热器的集热性能,对一种自主设计的新型微通道太阳能平板集热器进行探究.通过采用矩形微通道吸热板结构,减小传统流道的截面面积及增加吸热板与循环工质的热传导面积,使流体吸收热能的时间延长,并提高总的传热量.同时,对该集热器在山西省某农村住宅供暖系统进行试验测试.试验结果表明:在冬季晴朗天气的典型工况下,微通道太阳能平板集热器日平均集热效率为63.6%,最高集热效率可达80.4%,系统平均能效比为16.1,单块集热板平均热损失为233.3 W,且集中在顶部;下进上出流动形式的瞬时效率较高,热损失较小.     

广义传热规律下的斯特林热机的Z函数优化

基于广义传热规律Q∝(ΔT)m,建立不可逆斯特林热机模型,并考虑热阻、热漏和回热损失对热机的影响.以Z函数为目标实现功率与效率之间的协调优化,对比研究Z函数与效率、功率与效率,功率与效率的关系曲线,讨论漏热率、回热器效率、回热时间等参数对斯特林热机性能的影响.结果表明:漏热率越小,回热时间越短;回热器效率越大,斯特林机性能越好.     

球窝/球凸结构下的U型通道蒸汽冷却性能

采用标准k-ω湍流模型研究了球窝/球凸结构下U型通道内蒸汽的传热与阻力特性,计算、分析了雷诺数为1×104~5×104、来流温比为0.79~0.93、出口压力为0.5~3MPa时通道内的流动与传热性能,获得了拟合的传热关联式,对比了蒸汽与空气冷却特性的差异。研究结果表明:雷诺数增加在提升总体传热效果的同时能够有效降低流动阻力系数;来流温比增大对强化传热的作用并不明显,但可以有效降低流动阻力损失;提高出口压力可以有效增强传热效果,但大大增加了流动阻力;出口压力为1.5~2MPa、来流温比为0.84~0.88时蒸汽冷却参数能够获得较为理想的综合换热效果;与空气相比,蒸汽的热物性更容易受到温度和压力的影响,导致传热增强系数的变化较大,此时雷诺数的变化对传热增强系数的贡献并不显著;拟合的传热关联式可以准确预测通道内蒸汽冷却换热系数。     

斯特林发动机热力循环的分析方法

基于机械损失以及加热器和冷却器的温度校核,对斯特林发动机循环的二阶分析法进行修正。以斯特林发动机为模拟对象,数值模拟了GPU-3斯特林发动机内部的交变流动和换热过程,得出其内部压力、温度、速度、功率和效率等参数的变化规律。数值模拟结果与NASA给出的测试结果进行比较,两者结果符合。运用修正后的二阶分析方法,分析了发动机转速、工质以及平均压强对发动机输出性能的影响。该修正后的二阶分析方法功率误差均小于20%。该分析方法为斯特林发动机的优化设计和工作特性分析提供一个有用的工具。     

超临界天然气在蛇形盘管内流动与传热的数值模拟

为了更好地研究LNG浸没燃烧式气化器管内流体的流动传热特性,建立了浸没燃烧式气化器管内高压天然气升温跨临界流动传热过程的数值模型,对其轴向与环向的流动传热特性及操作参数的影响进行相关研究,并将模拟结果与现有管内超临界流体传热的关联式进行对比。发现管内传热系数随换热管长先增大后减小,在拟临界点位置达到峰值,且弯头处出现局部传热强化;提高管内质量流量能够显著强化管内传热,但流体跨临界位置也会相对延后;提高管程入口温度和水浴温度均使流体跨临界位置提前,而较高的水浴温度会使传热系数峰值偏低;模拟结果与现有传热关联式的对比结果发现,JacksonHall公式更能准确预测超临界天然气在蛇形盘管内的传热特性,但不能体现弯头处的局部传热强化。研究结果为浸没燃烧式气化器的设计工作提供了依据。     

板式换热器流动与传热特性的数值研究

建构了与BR0.015F型人字形波纹板式换热器实际结构、尺寸完全相同的冷热双流道物理模型,采用Fluent软件开展了数值仿真,通过改变该换热器的波纹节高比l/h、波纹倾斜角β和流道内流体流动形态,分析了其流动和传热特性,明晰了板片结构参数的变化对流动和传热特性的影响,最终获得了压降与换热最佳时的结构参数.结果表明:板式换热器的l/h越小时,其换热越好且流阻越小,l/h=2.4时的换热效果最佳且流阻最小;随着β的增大,其换热效果增强,但其流阻亦增大,β=45°时的同功耗换热效果最佳;单边流的流动与传热特性均优于对角流.     

转向区数目和长度对散热器流动传热性能的影响

针对管带式散热器的传热与流阻特性,建立管带式散热器百叶窗翅片的三维流动和换热模型,研究百叶窗翅片转向区数目和转向区长度对散热器流动传热性能的影响.结果表明:当迎面风速一定时,单排管和3排管布置时,散热器传热因子和摩擦因子都随转向区长度与数目的乘积增加而降低;当转向区长度和数目乘积相等时,传热因子与摩擦因子随转向区数目增加而增加;单排管布置时,转向区长度为1.5 mm和转向区数目为3个时,散热器综合性能最好;3排管布置时,转向区长度为3.0 mm和转向区数目为3个时,散热器综合性能最好;多排管布置时,转向区长度和数目优化匹配可有效提高其综合性能,缩小其与单排管布置时综合性能的差距.     

微燃气轮机环型回热器数值模拟及实验研究

基于层流的假设运用计算流体动力学方法对微型燃气轮机环型回热器交错波纹原表面通道两侧流体耦合换热与流动特性进行数值模拟及实验研究.结果表明,数值计算结果和实验结果之间的误差在允许的范围内.在此基础上,通过改变通道结构进一步研究其传热及流动特性,为回热器设计提供参考.     

翼型印刷电路板式换热器内流动与换热特性

为了探究翼型印刷电路板式换热器(PCHE)内流动与换热特性,采用数值模拟方法,以S-CO2为工质,针对S-CO2布雷顿循环燃煤系统中的高温回热器,研究了质量流量、进口温度和出口压力对PCHE流动和换热特性的影响,分析压降、范宁摩擦因子、努塞尔数及综合换热性能评价指标的变化规律,提出S-CO2在翼型PCHE中新的流动和传...     

以分析法比较流体的换热性能

基于换热过程中的损失率能定量地反映该过程中流体的传热与流动的综合性能这一特性，借助换热过程的损失率方程，分析比较了几种流体工质在不同换热方式下的综合特性。比较结果表明，液体（如水）有远优于气体（如空气）的流动与传热的综合性能，且随着流体温度的升高其优势更为明显。同时表明分析法在定量评价换热工质性能的突出特点及工程上的应用价值。     

浅谈带斜截半椭圆柱面空冷器的传热和流阻特性数值模拟

在矩形通道内部,斜截半椭圆柱面为一种综合特性强、流动损失低且其流阻特性与传热效果受柱面参数影响的涡流发生器,在没有外功作用下,有助于增强空调空冷器侧的传热特性,降低其流阻,对于实现空冷器等换热设备的节能具有重要意义。本文在简析了斜截半椭圆柱面涡流发生器及空冷器模型参数的基础上,以三角形小翼涡流发生器为比较对象,重点对带斜截椭圆柱面空冷器对流换热的传热特性及其阻流特性进行数值模拟分析,以期为工程应用实践提供有力参考。     

太阳能热水器用热虹吸管的试验

通过模拟热虹吸管在太阳能热水器中的实际工作状况,考察用于太阳能热水器的4种不同工质非等径热虹吸管的传热性能.结果表明:倾斜角度对热虹吸管具有明显的影响作用,倾角在20°~75°范围内,热虹吸管具有较好的传热性能;工质对热虹吸管的传热性能也有一定影响,其中T-2工质,性能最为优良,其最大传输功率为214W,最小为211.1W,平均传输功率为211.6W,方差为0.98;热虹吸管的性能满足太阳能热水器的使用要求.     

基于开源求解工具的超临界二氧化碳印刷电路板式换热器流动传热特性数值研究

超临界二氧化碳作为工质的布雷顿循环中印刷电路板式微通道换热器(printed circuit heat exchanger, PCHE)作为连接主压缩机、透平等涡轮机械的关键设备之一,其换热能力是否满足系统设计的工况要求,以及其运行的稳定性,对于整个发电循环的效率和安全性都有着重要的影响。采用流体-固体强耦合传热模型,对换热器内部超临界二氧化碳的流动和流固耦合传热过程进行数值分析。在稳定运行工况下,采用努塞尔数衡量换热器内部的换热不均匀性,得出沿着冷、热通道对流传热强度变化等指标。在非稳态工况下,不仅研究了流动传热特性,还研究了由于PCHE内部换热能力不均匀分布可能导致的部分二氧化碳工质偏离超临界态的风险区域,为超临界二氧化碳发电循环的设计优化和实验验证提供了参考。基于开源的流体力学及传热求解软件,通过测试开源求解工具对于PCHE流动传热特性分析的能力,为基于开源求解工具开发PCHE及超临界二氧化碳发电循环的数值分析专用工具平台,建立针对超临界二氧化碳发电设施的数字孪生系统奠定基础。