多孔介质蓄热系统动态蓄热特性试验与表征

为了解多孔介质蓄热材料热动态条件下的蓄热特性,得到表征蓄热材料的动态蓄热特性参数,在120 kW多孔介质热动态蓄热系统中,对不同孔径(2.9、4、5.5 mm)、长度(100～400 mm)的蜂窝多孔陶瓷蓄热体在不同热烟气条件下的动态蓄热特性包括蓄热速率、蓄热效率、蓄存单位热量所要克服的蓄热阻力进行了试验研究。结果表明:蓄热速率与时间的关系呈"抛物线"状,蓄热效率随蓄热时间的进行逐渐降低。相同时间下蓄热速率及单位蓄热阻损随蓄热体比表面积的增大或孔径的减小而增大,蓄热效率随蓄热体长度的增加而增大。根据试验研究和分析,采用蓄热速率、蓄热效率及单位蓄热阻损可以用来表征多孔蓄热体的动态蓄热特性。     

基于LBM的多孔介质无机复合相变材料储能特性北大核心CSCD

为了研究骨架形貌对无机复合相变材料(CPCM)相变储能特性的影响,基于格子玻尔兹曼方法,采用四参数随机生长法(QSGS)构造多孔介质骨架,建立随机分布的多孔介质CPCM相变模型,在此基础上,探究孔隙度(ε)、固相生长核分布概率(P_(c))、方向生长概率(P_(d))、瑞利数(Ra)对CPCM相变储能特性的影响。结果表明,ε越小,CPCM熔化时间越短,ε为0.70时的完全熔化时间相较于ε为0.90时缩短了23.63%。在相同ε(0.90)下,P_(c)增大或P_(d)减小,都有助于提高CPCM的熔化速度。Ra越大,自然对流强度越大,CPCM所需熔化时间越短,Ra为18000时CPCM所需熔化时间相较于Ra为1000时缩短了41.46%。本工作为研究多孔介质无机CPCM储能特性提供理论依据和参考。     

壁面覆盖部分多孔介质方腔自然对流流动的数值模拟

多孔介质壁面封闭腔体的自然对流在生产实际中有重要的应用。针对左侧部分多孔介质壁面方形封闭腔体,基于有限元法对封闭腔体的自然对流换热进行了数值模拟,得到了在不同Ra、孔隙率条件下腔体内空气的温度分布、速度分布。结果表明:随着Ra的增大,腔体内的流场及温度场发生了明显的变化,多孔介质壁面孔隙率的变化对腔体的流动换热的影响很小。     

饱和多孔介质自然对流数学模型与实验研究

以饱和多孔介质内流体流动、流体和固体传热为研究对象,考虑流体密度随温度变化和局部热平衡,引入Brinkman-Forchheimer的扩展Darcy模型进行修正,建立固体随机堆积饱和多孔介质自然对流数值模型,采用有限体积法计算。利用自主研制的两侧恒温差立方体多孔介质实验台,对所建数值模型进行实验验证。综合数值计算和实验结果表明:多孔介质方腔内最大流速随温差和瑞利数Ra增大而增大,且最大流速出现在高温壁面和低温壁面附近;随着Ra增大,温度等值线由近似平行于高低温壁面变为近似垂直于高低温壁面;高温壁面上Nu从上至下呈线性增加趋势;高温壁面Nu随Ra增大而增大,当Ra<102时,Nu维持在12以内;当102106,Nu增加速率很小。     

熔融盐填充床蓄热的蓄放热性能研究

基于多孔介质的连续介质模型,并考虑泵的功耗和蓄热罐的热损失,对熔融盐填充床的显热蓄热进行研究。以填充床蓄放热效率和效率为评价标准,讨论熔融盐进口温度Tin、蓄热罐高度H、孔隙率ε、填充颗粒直径d和熔融盐入口速度u对其的影响。结果表明:蓄热罐高度和填充颗粒直径是影响蓄放热效率和效率的主要因素。蓄热罐高度2~6 m时,总蓄放热效率和效率分别从0.891和0.879提高到0.931和0.923;颗粒直径5~40 mm时,总蓄放热效率和效率分别从0.956和0.951降低到0.875和0.861。     

多孔介质辅助平板式太阳能集热器热性能强化的数值仿真研究

多孔介质材料具有良好的传热和蓄热性能。设计了新型多孔介质辅助平板式太阳能集热器的二维数值仿真模型，对其内部热性能进行了数值模拟，研究多孔介质块的形状(矩形、梯形、三角形结构)、布置数量和渗透率(达西数Da=10^-5～10^-2)等因素对平板式太阳能集热器热性能强化的影响；然后考虑到插入多孔介质伴随的压降和摩擦阻力损失，提出了评价集热器传热性能与阻力损失的性能评估标准。研究结果表明：在平板式太阳能集热器换热通道插入4种不同形状的多孔介质块，矩形多孔介质块背部附近区域更易产生涡区，集热器内传热性能最强，但通道内流动阻力系数大，从而导致阻力损失大。当多孔介质区域总长度一定时，随着多孔介质块布置数量的增加，涡区数量相应增加，集热器内传热性能加强，且通道内流动阻力损失呈现先增加后降低的规律。多孔介质块渗透率对集热器传热性能的影响显著，当Da=10^-2时，集热器传热性能最强。集热器内多孔介质块布置任意数量、高渗透率(Da=10^-2)条件下，矩形多孔介质块的性能评估标准最佳；在多孔介质块布置数量(N=6)较多、低渗...     

管内填充多孔介质强化换热的数值研究

管内填充多孔介质强化换热的基本原理是构造热边界层,增大壁面附近流体的温度梯度,并且流动阻力增幅不大。本文运用数值模拟的方法,模拟填充多孔介质管内的流场和温度场,探讨填充比例φ、渗透率Da以及空隙率ε对管内对流换热的影响规律。研究表明,提高填充比例φ和减小渗透率Da都能明显提高换热效果,但也增加了管内流动阻力。空隙率ε对强化换热作用不大,但高空隙率可以明显降低管内流动阻力,在实际中应选用空隙率较大的多孔介质。     

基于LBM多孔介质复合腔体交界面热滑移效应的研究

本文采用格子Boltzmann方法对真实多孔介质复合腔体内的对流换热进行研究，分析了不同Ra数、多孔介质高度Y和厚度δ条件下交界面处的热滑移效应，并确定热滑移系数。利用X-CT技术对真实多孔介质材料进行断层扫描，获得实际材料内部结构图片，并进行图片处理，再导入格子Boltzmann模型中进行求解。计算结果表明：等效热滑移系数随高度Y的影响较大，靠近壁面或固体表面的系数偏大，而间隙处的系数偏小，但两处各自的值基本相同；Ra数和厚度δ的变化对等效热滑移系数的作用较小。     

太阳能地面采暖系统蓄热水箱容积分析

通过分析太阳能采暖系统所需蓄热鼍与建筑热负荷、太阳能集热量日变化规律之间的关系,得出太阳能采暖系统所需蓄热水箱容积的理论算式.根据拉萨、银川、西宁、西安等地的太阳辐射强度及建筑热负荷的日变化规律,模拟得出系统所需蓄热量变化规律;并对各种蓄热温差下对应的蓄热水箱容积进行了模拟分析,结果表明:太阳能采暖系统所需蓄热量随太阳集热器的集热量与建筑热负荷之间的差值增大而增加;蓄热水箱容积随蓄热温差增大而减小,当蓄热水温达到80℃时,在各种地面采暖系统取水温度下,单位集热器面积所需蓄热水箱容积趋于相等.     

环境风下不同开口率圆柱形腔体复合热损失特性实验

建立圆柱形腔体热损失性能测试实验台,固定腔体倾角为45°,采用电加热方式对腔体底面和侧面同时加热,探讨有环境风条件时,不同开口率圆柱形腔体在不同风速、风向角下的复合热损失特性,获得混合对流热损失努塞尔特数Nuc和辐射热损失努塞尔特数Nur的拟合关联式,并分析实验过程中的不确定度。结果表明,在有风条件下,对部分开口的圆柱形腔体,对流热损失和辐射热损失随开口率OR的增大而增加,导热热损失随开口率OR的增大而减少;各项热损失随风向角的变化较受开口率的影响要小;开口率增大时,Nuc和Nur均增加;风速增大时,Nuc增加,而Nur减小。     

应用热非平衡模型模拟梯度磁场作用下多孔介质方腔内空气热磁对流

梯度磁场可用来控制多孔介质内空气的自然对流传热过程.利用局部热非平衡模型对圆形截流线圈水平放置时三维多孔介质方腔内的空气热磁对流进行了数值研究.控制方程基本变量采用控制容积法离散,求解采用SIMPLE算法.计算过程中Ra为103～105,磁场力数γ为0～150、Da为10-7～100.获得了空气热磁对流的流场和温度场....     

多孔介质微燃烧器的试验研究

对微尺度下的氢气/空气预混气在多孔介质中进行预热燃烧时的燃烧特性进行了试验研究,在回热燃烧器中对不同ppi(每英寸长度上的孔洞数)的多孔介质进行对比试验,分别测试了氢气/空气预混气在预热下的燃烧效率与氢气流量、过量空气系数α以及多孔介质ppi之间的关系.结果表明,在多孔陶瓷的蓄热和混流作用下,燃烧速度和燃烧效率均得到了显著的提高,稳定燃烧界限也有一定的扩大.为进一步减小微尺度条件下的燃烧热量损失,提高燃烧效率,提供了试验依据.     

封闭方腔内叉排管间熔融盐自然对流换热

以硝酸锂熔融盐为流体介质,对封闭方腔内交叉排布的四根热管间的介质自然对流换热进行了数值模拟,研究了热管不同位置和不同瑞利数对方腔内介质自然对流换热特性的影响。结果表明:管间距ε=0.5时,腔体内温度场和流场的对称性开始打破;ε=0.4和0.5时,下管及左右两管产生的热羽流冲刷上管热边界层,使上管局部Nu_φ分别在圆周角φ=180°、φ=280°和φ=80°处出现增强;ε=0.6时,上管不再受下管羽流影响。随着管间距增大,上管平均Nu_m越来越小,下管Nu_m越来越大;ε=0.4~0.6时,管间距对左右两管Nu_m影响很小,但ε=0.7时,左右两管平均换热均明显增强。     

太阳能-土壤耦合热泵长年蓄热土壤热平衡分析

以严寒地区季节性蓄热太阳能-土壤耦合热泵系统为研究对象,通过数值模拟的方法,对该系统在长年蓄、取热情况下土壤的热平衡状况进行分析并对系统模型进行实验验证。研究结果表明:系统在相同控制条件下运行,蓄热量大于取热量,土壤温度得到有效提升,但由于连续多年蓄热土壤中出现热堆积现象,蓄热量逐年下降并趋于平稳;土壤温度的逐年升高使热泵COP保持在较高水平,但每年提升的幅度不大,可在土壤平均温度趋于稳定时减少蓄热量,使土壤热量达到平衡。     

电热型管壳式相变蓄热器的设计与性能实验

相变蓄热技术近年来在电力削峰填谷的应用中发挥了重要作用,成为供热领域的新热点。本文设计了以PTC电加热棒为发热源,水为载热介质,纳米共晶水合盐为相变蓄热材料的管壳式相变蓄热器。实验研究了蓄放热过程中装置内部水和相变材料的温度分布情况以及特定温度范围的蓄放热性能及变化规律。结果表明,以圆管正三角阵列 + 折流板为特征的管壳式换热器结构可以使蓄热器内部温度分布更加均匀;以某测温点水温75 ~ 98℃变化区间为蓄放热周期,蓄热周期的实际蓄热量为779 796 kJ,有效蓄热系数达到0.91,平均蓄热功率为94.13 kW;在放热周期,放热功率从74.2 kW随水温的下降而逐渐减小至51.8 kW,当水温降至相变温度以下时,放热功率趋于稳定。     

岩石填充床蓄热性能试验研究

储能系统可以有效地提高能源利用率,是解决能量供需不平衡以及可再生能源不稳定问题的重要方式,近些年来已经成为国内外的研究热点。填充床是热能存储的主要形式之一,它是一个充满填充材料的热量存储装置,岩石和鹅卵石是最常用、最可靠的填充材料。文章分析了以高压空气作为传热流体的岩石填充床的蓄热特性,讨论和研究了不同试验参数对蓄热效率的影响。结果表明,岩石填充床的蓄热效率随空气压力的升高而降低,随空气质量流量的增大而增大,因而在较大的空气质量流量和较低的空气压力条件下可以得到较高的蓄热效率。     

横向层流中多孔冲击射流强化传热的实验研究

为研究横向层流中多孔冲击射流对平板传热特性的影响,搭建了多孔冲击射流强化传热实验台架,研究了横向层流中不同射流速度比r(10≤r≤30)和不同射流高度(20≤L/d≤80)下多孔冲击射流对加热陶瓷平板对流换热的影响,分析了对流换热系数和相对努塞尔数的变化规律,讨论了多孔冲击射流强化传热的物理机理。结果显示,相对努塞尔数随射流速度比的增大而增大,最大的相对努塞尔数为1.98。此外,多孔冲击射流高度并非越小越好,而是存在一个最佳射流高度。当r较小时,相对努塞尔数随多孔射流高度的增加而减小;当r较大时,相对努塞尔数随多孔射流高度的增加先增大后减小。     

相变蓄热式集热器蓄放热数值与实验分析

对一种相变蓄热式太阳集热器的蓄放热过程进行CFD软件数值模拟和实验测试。该集热器由全玻璃真空集热管、相变蓄热单元和U型换热器组成。选用相变温度在330~400 K的3种适合于太阳集热器的复合相变材料石蜡、Ba(OH)_2·8H_2O和赤藻糖醇,在蓄热式集热器中进行蓄放热性能测试。研究表明,填充Ba(OH)_2·8H_2O的蓄热式集热器在总蓄热量、材料内部温度均匀性等蓄放热方面性能优越。实验结果对蓄热式集热器的设计具有参考价值。     

高瑞利数条件下竖排管束对原油的换热特性研究

采用标准k-ε湍流模型、基于有限体积法,对Ra数1.12×106-1.02×108,Pr数101-127范围内竖排等温管束对原油的自然对流换热特性进行了数值研究。结果表明,随相邻加热管中心距增加,管束整体依次经历了换热恶化、强化、稳定和衰退的不同阶段。底部加热管自然对流诱发的流体流动增大了上层管周围流体的速度,对上层管换热具有强化作用,但同时也改变了上层管周围流体的温度分布,导致上层管换热恶化和Nu数随时间产生波动。此外,存在换热强化和最高换热强度的临界中心距都随Ra数增大而减小,换热强化作用随Pr数增大而减弱,增加上层管数在一定程度上可提高管束的平均换热强度。     

多孔介质燃烧室内湍流流动及燃油喷雾的数值模拟

以多孔介质发动机为背景,用数值模拟方法考察气缸内加入多孔介质蓄热体后对燃烧室内湍流流场及混合气形成的影响.计算基于Antohe和Lage的适用于多孔介质的k-e模型,其中引入了Darcy项和Forchheimer项.对燃油喷雾在自由空间和多孔介质组成的燃烧室内的流场进行了数值计算.计算结果表明,多孔介质对燃油液滴与空气的混合过程具有重要的影响,多孔介质内的流场作为一个局部流场和整个燃烧室内流场发生相互作用.Darcy项和Forchheimer项均对湍能起阻尼作用,从而降低多孔介质内的湍能水平.这种阻尼作用随多孔介质渗透率的减小而增大.为检验数值模型的合理性,针对文献中的实验条件进行了相应的数值计算,计算结果与实验结果吻合良好.