内径尺寸对环形相变蓄热单元熔化特性影响规律的数值分析

为掌握外壁面等温加热、内壁面绝热的环形单元内径尺寸对单元内相变材料熔化传热特性的影响规律,采用焓-多孔介质模型对外径尺寸固定不变条件下的5种不同内径尺寸的水平环形单元熔化传热过程进行数值模拟分析。研究结果表明,当外径与内径之比N在2.0≤N≤2.5内时,各单元内传热机制发展相近,内径对平均储热速率的影响较小;1.5≤N2.0时,N值越小(即内径越大),单元内传热机制由导热转变为自然对流的进程越早,其平均储热速率越大,且边界温度越高;1.5≤N2.0时,内径对单元平均储热速率的影响更加明显。当边界温度为85℃,N从2.5减至1.5,平均储热速率提升达15%。此外,通过多项式拟合得到单元熔化分数f关于Ste、Fo、Ra的准则式为:f=0.1193+0.9057X+6.2058X~2-8.7922X~3,式中X=Ste·Fo·Ra~(0.05)。     

方形槽内水平圆管外相变蓄热过程的数值模拟

对以水为热载体,方形槽内水平圆管外石蜡的相变蓄热过程进行了数值模拟.通过合理的分析与假设,建立数学模型及其定解条件,并利用实验数据进行验证.引入无量纲管壁温度Ste数和无量纲相变材料初温G数,分析了Ste和G数对相变材料熔化、凝固过程的影响,给出了不同Ste教的熔化过程固液相图,结果表明:Ste数对熔化和凝固过程有显著影响,与S=0.098时的熔化时间相比,Ste =0.1875时熔化时间将会缩短将近1/2,而Ste =0.277时比Ste=0.1875时熔化时间缩短了1/3.与Ste=0.0804时的熔化时间相比,Ste =0.170时凝固时间缩短1/2,而Ste =0.259时比Ste =0.170时凝固时间缩短了1/3.G数对相变过程的影响比较小,凝固时甚至可以忽略不计.     

管壳式换热器蓄热单元数值模拟与优化

相变材料导热系数低,导致相变蓄热装置无法快速地进行热量储存和释放,文中建立了翅片管和光管式相变蓄热单元的三维计算模型,采用数值模拟方法,从蓄热速率、蓄热量以及温度场等方面比较分析了翅片管和光管结构对储热性能的影响。结果表明:在光管外壁添加翅片可以缩短相变材料完全熔化以及整个蓄/放热过程所需时间;与采用光管结构相比,采用翅片换热管时,完全熔化时间缩短32%,完全放热时间缩短14.5%。可见,在一定条件下添加翅片有助于提高蓄热体的蓄放热性能,所得结论对实际工程中相变蓄热系统的设计和优化具有一定的参考价值。     

蓄热式连续加热炉内流动与换热特性的数值模拟

以某公司大方坯蓄热式连续加热炉为研究对象,对该炉建立了三维物理数学模型,分别采用可实现双方程湍流模型,PDF非预混燃烧模型、离散坐标法辐射模型(DO模型),应用Fluent数值仿真软件进行了模拟研究,得到了蓄热式连续加热炉内的流场和温度场的分布规律,并对炉内对流换热系数的分布进行了详细的分析研究.结果表明:钢坯表面局部对流换热系数在各加热段内分布不均匀,这主要是由于烧嘴进口射流所引起的局部流速的差异性,从整体上来看,预热段和加热1段的对流换热系数要高于其它各段.     

方形开口腔内双扩散自然对流数值模拟

对Soret和Dufour效应作用下的开口腔内双扩散自然对流进行了数值模拟。研究了在不同瑞利数Ra(10~3≤Ra≤10~7)、刘易斯数Le(0. 5≤Le≤8)、浮升力比N(-5≤N≤5)、Soret数和Dufour数(0≤Sr=Df≤0. 5)下,开口正方腔内温度场、浓度场、流场的影响及平均努塞尔数■和平均舍伍德数■的变化。结果表明,当N=-1时,■和■都达到最小值,腔内传热、传质效果最弱。当Ra较小时,改变Le对■、■影响不大;当Ra不变时,增大Le使得■逐渐降低、■逐渐升高,腔内传质增强,传热被削弱。另外,Le=1时,Soret和Dufour效应的变化对开口方腔内传热传质影响并不明显。■和■随着Soret和Dufour效应影响增强而增大,与Sr、Df为0时对比,Sr、Df从0. 1增大到0. 5时,■增加了10. 4%到58. 0%,■增加了3. 4%到13. 1%。     

直流电弧炉内热流和废钢熔化过程的数值模拟

以废旧钢铁为原料,采用国内某0.5 MW直流电弧炉为原型,并通过有限元法和商业软件ANSYS Fluent,将炉内电弧射流部分和熔池部分的温度场、速度场和电磁场等进行建模解析,模拟结果显示：(1)熔池首先在电弧下方形成,然后随着时间的进行逐渐扩大;电弧冲击力与洛伦兹力是熔池内部搅拌的主要驱动力;电势差主要集中在电弧射流部分。(2)电弧炉内的电流密度、温度分布具有典型的局部特性,主要集中在电极处和电极附近阴极斑点区域;在电弧与熔池的交界面处,温度、电流密度均在对称轴处呈现较大值,然后向四周逐渐递减。仿真结果与相关文献的实测结果吻合良好。     

水平及竖直放置套管式相变蓄热单元传热特性的数值模拟

以赤藻糖醇为相变材料,采用Fluent软件对同心套管式相变蓄热单元的熔化和凝固过程进行了三维非稳态数值研究。在考虑自然对流的前提下,对比了水平入射式、顶部入射式及底部入射式相变蓄热单元的传热特性,得到了固液界面分布图和温度云图随时间的变化特性,对比了各自的蓄放热速率。研究表明:自然对流在熔化过程中起主要作用,而在凝固过程中起的作用很小;蓄热速率从大到小排列,依次是水平入射式、顶部入射式和底部入射式,相比于底部入射式,水平入射式的总熔化时间可减少27.2%,而顶部入射式的总熔化时间仅减少3.7%;放热速率从大到小排列,依次是顶部入射式、水平入射式和底部入射式,相比于底部入射式,顶部入射式的总凝固时间可减少9.2%,而水平入射式的总凝固时间仅减少0.6%;水平入射式蓄热单元是满足蓄放热速率快这一要求的首选型式。     

管壳式蓄热装置的设计及蓄热单元三维数值模拟与优化

为弥补太阳能间歇性的缺点,设计了管壳式蓄热装置并建立了一个三维的、非稳态的、液态石蜡包含自然对流的相变蓄热装置模型,在该模型中取一个蓄热单元进行模拟研究。蓄热单元为圆柱体,内部放置石蜡,中心位置为传热管,热水通过传热管和传热管上的翅片对石蜡进行加热。对蓄热单元的蓄热过程进行了三维数值模拟,分别分析比较了有无自然对流条件,不同蓄热单元放置,以及增加内外翅片情况下蓄热单元的蓄放热性能,研究结果可为蓄能装置及集成系统的开发提供理论依据。     

相变蓄热单元蓄/放热过程的数值模拟研究

建立同心套管相变蓄热单元的二维模型,并与文献对比验证,完成网格无关性和时间步长独立性验证后,数值模拟分析模型结构和流体入口速度对蓄热特性的影响,探究导热系数和相变材料的熔点对放热特性的影响。研究结果表明:采用波节管代替光管可优化蓄热单元的蓄热特性,且3#波节管的换热性能最优,相比于光管,蓄热时间可缩短39%;其他条件不变时,增加传热流体(heat transfer fluid,HTF)的导热系数,蓄热单元的放热效率先增后降,存在最佳值;当相变材料(phase change materials,PCM)的导热系数大于HTF时,继续增加PCM的导热系数会使放热效率下降;随着PCM熔点的增加,有效放热时间先增后减,在熔点为603 K时,放热效率达到最大值0.82。     

石蜡在椭圆套管单元内的蓄热特性研究

利用Fluent软件对壳体和中心管均为椭圆的管壳式换热器的融化过程进行了模拟分析。研究壳体和中心管的不同长短半轴之比以及热源温度对石蜡融化过程的影响,得到了石蜡融化过程液相分数及热流密度的变化规律。结果表明:内外椭圆管长短半轴比均为1.7的结构融化时间最短,结构最优。相比于内管,外管对融化过程的影响更大。斯蒂芬数对融化有较大影响,斯蒂芬数越大,初期融化速率越快。     

蓄热式加热炉数值模拟

以某长材厂蓄热式平顶加热炉为研究对象,根据工业应用现场的实际参数,利用Ansys软件采用k-ε湍流模型、P1辐射模型等模型进行数值模拟,分析加热炉内的流场、温度场和燃烧产物浓度的分布情况,发现同侧换向燃烧组织方式对炉内钢坯加热效果较好,且炉内温度梯度比较平滑,氧气浓度较低,与现场得到的实际数据进行对比,证明数值模拟的研究价值和适用性,并提出优化加热炉操作运行的可行性措施。     

铝/石蜡复合相变材料蓄热性能的数值模拟

相变储能材料由于其具有周期性储存和释放能量的特点,在电池热管理、太阳能发电等领域应用广泛,然而由于导热系数低的原因限制了其进一步的应用.高导热率泡沫材料的添加为解决这一不足提供了一种有效的方法.采用三周期性极小曲面(triply periodic minimal surface,TPMS)生成泡沫铝骨架,基于孔隙尺度数...     

泡沫金属内石蜡相变凝固的数值模拟

研究了泡沫金属中相变材料的相变熔化过程,由于金属骨架和相变材料传热性能的巨大差异,建立了骨架和相变材料的双温度模型,采用显热容法进行了数值模拟。模拟结果显示,相变材料中填充泡沫金属,能有效改善相变材料的温度分布;在相变时,骨架与相变材料的温差较大,局部热不平衡明显;泡沫金属孔隙率越小,石蜡熔化越快。     

蓄热式钢包烘烤器气体混合特性数值模拟

利用CFD通用商业软件模拟了蓄热式钢包烘烤器的流场和气体混合状况,比较了不同空气喷入速度、不同空煤气烧嘴间距、不同空气预热温度等不同工况对空煤气混合状况的影响,并定量分析了这些影响的大小和趋势.为蓄热式钢包烘烤器燃烧装置的合理设计提供依据.     

散堆拉西环蓄热室热工特性的数值模拟

提出将拉西环作为蓄热元件用于蓄热室的技术构想,并建立数学模型对散堆拉西环蓄热室的热工特性进行模拟.结果表明:不同时刻蓄热体及气体的温度分布大致呈对数曲线;随换向时间及气体流速的减小、蓄热室长度的增加,温度效率、热效率逐渐升高;空气的出口平均温度取决于空气出口最低温度,烟气的出口平均温度取决于烟气出口最高温度,要达到较高...     

太阳热泵蓄热系统蓄热过程的数值模拟

对以CaCl2.6H2O为相变材料的太阳热泵蓄热系统,采用焓法建立了以相变材料封装容器为控制体单元的相变传热模型,计算了蓄热水箱进出口温度,相变材料温度及水箱蓄、放热量等参数。通过对实验结果与模拟结果的比较分析可知,两者数据接近,变化趋势吻合,该模拟方法能较好地反映系统运行情况。     

双孔射流流化床内颗粒混合特性的离散单元法数值模拟

将计算流体力学与离散单元法相结合,采用Fortran语言编程,根据牛顿第三定律实现气固耦合,从微观角度剖析了颗粒在流化床内的运动机制.利用Lacey混合指数对流化床内不同特性区域的颗粒混合程度进行了定量分析,并研究了颗粒混合特性的影响因素,得到颗粒轴向和径向混合序列图、气体和颗粒速度分布以及整床和三区的颗粒混合指数分布.结果表明:颗粒受到空气射流作用后,随着混合和偏析的不断进行,最后达到随机完全混合状态;相同表观气速下颗粒轴向混合进程快于径向混合进程;表观气速增大,喷泉区尺度增大,使颗粒径向混合能力得到改善,但对轴向混合能力的影响微弱.     

蓄热式均热炉数值模拟优化设计

应用蓄热燃烧技术改造传统均热炉燃烧系统，可以节约燃气的消耗率，提高炉内温度场的均匀性。通过数值模拟试验，研究了均热炉应用蓄热燃烧技术改造后的炉内流场和温度场，研究结果认为当助燃空气温度为1000℃，燃气预热温度分别为400，600，800．1000℃时，燃气节约率分别可达到12．41％，14．54％，16．67％，18．85％。改造后炉内温度分布均匀性提高，温度分布均匀性指数R，由33．18降到了18左右，并据此提出了优化改造方案。