一侧全开式圆柱形腔式吸热器热损失特性实验

通过建立腔式吸热器热损失性能测试实验台,采用电加热的方法,分别在所有壁面加热和只有底面(开口对面)加热2种情况下,探讨倾角和热流密度等参数对一侧全开式圆柱形腔式吸热器热损失的影响,获得自然对流热损失的努塞尔特数Nuc和辐射热损失的努塞尔特数Nur分别与格拉晓夫数Gr、倾角φ、自然对流热损失的热流密度qc或辐射热损失的热流密度qr的实验关联式。结果表明,输入功率不变时,吸热器的自然对流热损失随着φ的增大而减小,导热损失和辐射热损失随φ的增大而增大,但增大的幅度不大;当qc一定时,Nuc随φ的增大而减小,而当qr一定时,φ对Nur的影响很小;并且2种加热情况下的热损失性能存在一定的差异,加热位置对辐射热损失的影响要比对自然对流热损失的影响小。     

太阳能腔式吸热器自然对流热损的数值研究

腔式吸热器是碟式太阳能热发电系统的一个重要组成部分,它的性能优劣直接影响到整个发电系统的效率。重点分析了腔式吸热器的自然对流热损,建立了6种典型腔式吸热器的二维模型,选用FLUENT6.3计算了在开口直径为10cm,壁温为400℃,倾角α=0°条件下的6种腔式吸热器的内部自然对流热损失。计算和比较发现,球形吸热器的内部对流热损比其他5种吸热器平均低10%。通过计算球形吸热器在不同Aw/Al(内表面积/开口面积)和不同倾角下的对流热损大小,发现球形吸热器的对流热损随倾角的增大而显著减小,在α=0°(开口朝侧面)时最大,α=90°(开口垂直向下)时最小;计算得到球形吸热器的最佳Aw/Al值为8～10。     

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。     

交叉V型吸热板-底板太阳能空气集热器热性能的数值模拟

应用太阳载荷模型,利用FLUENT软件对九个交叉V型吸热板-底板太阳能空气集热器进行了数值模拟,得到集热器的热效率、出口温度、热损和吸热板温度,并对其进行了对比分析,发现集热器的热效率随着空气流道高度的增大而减小,热损失、吸热板温度和出口温度随着空气流道高度的增大而增大,最大效率为34.60%,最高出口温度为355.13 K.     

不同程度预氧化煤传热特性

选用气煤,预先在程序升温装置中分别氧化升温至80,120,150和200℃,原煤作为对照组,探究煤复燃的热量传递规律。采用激光导热仪FLA457分别测量空气气氛中原煤与预氧化煤在30～300℃内的热物性参数,对热物性参数进行拟合分析,并探究其对温度的敏感性。结果表明:在30～300℃内,随着温度的升高,煤样热扩散系数先减小后增大,比热容逐渐增大并趋于平稳,导热系数逐渐增大。煤样的热扩散系数变化率以及导热系数变化率呈现出先减小后增大的趋势,比热容变化率逐渐减小。在相同温度下,随着预氧化温度的增加,热扩散系数先增大后减小,导热系数逐渐减小,并且原煤的比热容和导热系数均大于预氧化煤的比热容和导热系数。此外,比热容对温度的敏感性最大。实验结果对于煤火灾害防治具有一定的指导意义。     

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.     

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.     

变冲角对高负荷扇形扩压叶栅性能影响的数值研究

为研究压气机变工况性能,以亚音速高负荷扇形扩压静叶栅为研究对象,利用数值模拟方法,探究冲角变化对扇形叶栅气动性能的影响.结果表明:端壁附面层的分离和二次流动以及角区复杂涡系相互作用,造成严重角区损失.扇形叶栅下角区损失始终大于上角区,且差距会随着冲角的增大而加剧.叶栅总体损失先减小后增大,并在-6°冲角时损失最小.随着冲角增大,栅内低压区位置及吸力面分离位置均提前,角区回流强度也随之增强,且下角区回流强度和回流增强速率均大于上角区.     

考虑辐射影响的接触传热模型与分析

应用GW统计接触模型,建立了粗糙表面之间的接触导热模型. 与实验数据的对比分析表明:该模型能够正确地反映接触导热现象. 在此基础上,对接触表面进行了合理的简化,建立了接触界面间的辐射传热模型. 数值计算表明:当接触表面的温度高于400 K时,辐射的影响已不可忽略;载荷对接触导热热导的影响明显大于对辐射热导的影响,导热热导随载荷的增大迅速增大,而辐射热导以及等效辐射系数均随载荷的增大有所减小,这主要是由接触界面的空隙面积减少造成的;在接触面几何参数中,粗糙峰等效斜率对等效辐射系数起着主导作用,在相同的量纲1的载荷情况下,粗糙峰等效斜率越小,等效辐射系数越大;通过对本文提出的等效辐射系数的误差检验,结果表明其最大相对误差为10-3数量级,说明等效辐射系数仅仅为接触界面黑度、几何特性和接触载荷的函数,而与接触界面温度水平和温差无关,同时也间接证明了本文提出的等效辐射系数可以较为合理地描述接触界面间的辐射换热强度.     

侧加热腔体内对流特性的研究

本文通过二维流体力学方程组数值模拟,研究了侧加热腔体内的自然对流。探讨了格拉晓夫数对流场、温度场以及热边界层厚度的影响,普朗特数对流速的影响。结果表明:压强梯度促使入侵流的分离。热边界层厚度在初始阶段只随时间变化,与格拉晓夫数无关,在对流稳定阶段,随格拉晓夫数增大而减小,随腔体高度线性增大。普朗特数为常数时,铅垂方向最大流速随格拉晓夫数增大而增大;普朗特数和格拉晓夫数都为常数时,铅垂方向最大流速随时间先增大后减小,最后达到稳定。     

环境参数对PTR70真空集热管外壁面温度的影响

为了利用玻璃管外壁面温度判别集热管真空,考虑集热管的传热平衡,推导出玻璃管外壁面温度与集热管热损失的关系表达式,结合PTR70真空集热管实验拟合关联式,确定不同环境风速、环境温度、太阳辐射强度以及管内循环工质温度下,PTR70真空集热管处于良好运行状态时的玻璃管外壁面温度范围.结果表明:环境变化仅改变玻璃管外壁面温度,对集热管热损失的影响相对较小.随着环境风速的增大,玻璃管外壁面温度先是急剧减小,然后趋于平缓；随着环境温度的升高,玻璃管外壁面温度呈线性升高；太阳辐射强度的变化对玻璃管外壁面温度几乎没有影响.工质温度是影响PTR70真空集热管热损失的最主要因素,玻璃管外壁面温度和集热管热损失都随工质温度的升高而增大,且增幅越来越大.     

管槽内对流换热过程的热力学分析及性能评价

利用热力学第二定律对壁面温度恒定状态下的圆形流道、三角形流道和矩形流道内充分发展区层流对流换热过程进行了研究,得到了熵产数的一般表达式;定义了对流换热过程可用能损率,讨论了入口换热温差、流体温升和流动阻力对可用能损率的影响,并对几种典型流道内对流换热过程的热力学性能进行了比较;同时,从降低可用能损率的角度出发,得到了最小可用能损率所对应的最佳入口换热温差。     

新型强化传热螺杆结构传热性能数值研究及场协同分析

利用CFD软件fluent对普通螺杆结构和新型强化传热螺杆结构在塑化计量段中的三维非等温流场进行数值模拟,研究两种结构流道内熔体的速度场、轴向和径向温度场、对流传热系数及场协同角的不同。结果表明：在塑化过程中,新型强化传热结构存在着径向的对流传质过程,加强了径向的对流传热,因此有较好的径向温度分布;新型结构较普通螺杆结构有较高的对流换热系数和较好的场协同性,从而加强了螺杆的对流传热。     

流场与温度场耦合作用下对传统蒙古包建筑外表面对流换热的影响

为了研究室外空气温度、风速风向和太阳辐射耦合作用对供暖期传统蒙古包建筑外表面对流换热的影响。通过采用风速仪以及遮阳与非遮阳两套系统分别对建筑外表面进行了测试。研究了室外空气温度、风速风向以及太阳辐射对建筑外表面对流换热的影响规律。实验结果表明:遮阳系统可以有效地降低太阳辐射,进而减小建筑外表面的对流换热量;同时可以看出,建筑外表面对流换热系数与当地风速呈现指数关系,对流换热系数随风速的增大而增大。研究可以为内蒙古地区传统蒙古包建筑的能耗分析,以及模拟地区风环境和热环境的边界条件提供依据。     

Generalized thermal resistance for convective heat transfer and its relation to entransy dissipation

In order to further analyze and optimize convective heat transfer process further, the concepts of heat flux weighted average heat temperature and heat flux weighted average heat temperature difference in multi-dimensional heat transfer system were introduced in this paper. The ratio of temperature differ- ence to heat flux is defined as the generalized thermal resistance of convective heat transfer processes, and then the minimum thermal resistance theory for convective heat transfer optimization was devel- oped. By analyzing the relationship between generalized thermal resistance and entansy dissipation in convective heat transfer processes, it can be concluded that the minimum thermal resistance theory equals the entransy dissipation extremum theory. Finally, a two-dimensional convective heat transfer process with constant wall temperature is taken as an example to illustrate the applicability of generalized thermal resistance to convective heat transfer process analysis and optimization.     

高宽比对竖壁冷却离散加热的二维空腔内自然对流的影响

采用SIMPLE算法数值值分析了高宽比对一 侧竖壁等温冷却，另一侧竖壁均匀分布5个离散热源的空腔内高Pr数流体自然对流流动和传热的影响。发现H/W=12.22时出现的多个二次流强化了传热，其整体传热效果最好；H/W减小时由于二次流的减弱和消失，传热急剧下降，并在H/W=7.35时达最小值；H/W继续减小时，由于对流的展开和加剧使传热得到某种程度的增强，在H/W=3.67时达到稳定，在这之后H/W的减小对传热不再产生显著的影响，另外，根据数值值计算的结果还整理出包含高宽比影响的综合关系式。     

液黏离合器摩擦副对流换热系数数值模拟研究

为了预测液黏离合器的温度场分布及热负荷特性,通过数值模拟研究求得摩擦副散热面的对流换热系数。应用计算流体动力学软件CFX建立了摩擦副流固耦合有限元模型,获得了摩擦副的温度场分布,综合考虑换热表面形状、摩擦片转速、油液流速和入口压力、流体物理性质等因素,揭示了各因素与对流换热系数之间的内在联系。结果表明：摩擦副温度从内径到外径逐渐升高,菱形区域中心温度比四周高。摩擦片转速越大对流换热系数越大;油液黏度越小,入口压力越大,对流换热系数越大。可见,油液流速对换热系数的影响最为显著;摩擦片转速、油液的入口压力和黏度会改变流速及流体的运动状态,从而影响对流换热系数。     

抛物面碟式太阳能接收器与高温反应器的联合传热特性分析

太阳能接收器和反应器的几何结构直接影响其传热特性及化学反应过程,利用光学特性产生高强度辐射通量是营造高温的常用方法。构造了一种基于抛物面碟式太阳能接收器的高温反应器,分为预热区和多孔反应区,通过COMSOL Metaphysics软件建立其三维数值模型,计算焦平面热通量分布规律,在典型运行条件下(DNI=800 W/m~2,u_(in)=0.1 m/s),分析反应器的速度和温度分布规律,以及DNI和反应流体入口速度对反应器传热特性的影响。     

超临界压力下浮升力对航空煤油流动换热影响

通过RNG两方程模型结合增强壁面处理法的数值方法,研究了不同重力加速度下,浮升力对超临界压力下水平圆管内RP-3煤油流动换热的影响。建立、验证了计算模型;分析了RP-3煤油在拟临界区热物性变化,并对流动换热受浮升力影响判别准则的适用性进行了比较分析。结果表明:在拟临界温度附近煤油热物性的剧烈变化导致的浮升力作用下,水平圆管内产生较强的二次流动;二次流动减弱上壁对流换热,增强下壁对流换热,增大下壁摩擦阻力,减小上壁摩擦阻力,流动压力损失略有增大;随着重力加速度的增大,浮升力对换热和流动的影响更加显著;最后分析得出Protopopov准则能较好地描述浮升力对超临界压力煤油换热的影响规律和程度。