带有多重V形非等高肋片的太阳能空气集热器的传热与流动特性数值研究

摘要

近几年几乎覆盖全国的雾霾问题引起了人们对能源利用的关注，积极发展和利用可再生清洁能源是改善当前环境问题最有效的方式。太阳能空气集热器是一种将太阳能转换成热能的最基础的工具，被广泛使用在生活中的各个领域。吸热板是集热器最主要的结构，在吸热板上增加肋片可以起到强化换热的作用，而肋片结构对光热转换的效率有着很大的影响，因此，不断优化肋片结构是提高太阳能利用效率的重要方法。
　　本文以V形非等高肋片的太阳能空气集热器为研究对象，用数值模拟的方法，对太阳能集热器的传热和流动性能进行研究。通过对划分网格、网格质量检查、网格无关性检验等有效性分析，研究了在Re=7000-16000的范围内，肋片的形状e1-e2-e1（e1为肋片前端的高度，e2为肋片末端的高度）、节距（P）、倾角(α)和相对肋宽比（W/w）对集热器的Nu数、摩擦阻力因子和热性能因子的影响。
　　在对传热特性的研究中，通过研究不同形状的非等高肋片，肋片形状e1-e2-e1为1-3-1的集热器的热性能因子最大。对比不同的节距，随着节距的增加，集热器的热性能因子逐渐减小，当P=15mm时热性能因子最大。热性能因子随着倾角的增大而减小，当α=30°时热性能因子最大，α=75°时热性能因子最小。集热器的热性能因子随着相对肋宽比的增加呈现出先增加后减小的趋势，当相对肋宽比W/w=6时，集热器的热性能因子最大，相对肋宽比W/w=2的热性能因子最小。
　　肋片结构对集热器通道内流体流动特性有着直接的影响，从而影响着换热。在对流体流动特性的研究中，对比不同形状的肋片，前端的高度较低能够使流体更容易地跨过肋片，一方面形成直径较小但流速较大的旋涡，另一方面对背风区壁面和下个肋片迎风区冲击也比较剧烈，使得换热效果得到增强。肋片的倾角和节距较小时，流体在整个通道中下降上升的次数增多，主流的冷流体和加热面附近的热流体换热次数增多，冷热流体掺混的更均匀，使集热器的换热效率得到提高。

目录

声明

摘要

1 绪论

1．1 课题背景

1．1．1 太阳能利用的特点

1．1．2 太阳能利用的方法

1．2 太阳能平板集热器

1．2．1 太阳能平板集热器的结构

1．2．2 提高平板集热器性能的主要途径

1．3 太阳能集热器的研究现状

1．4 本文的主要研究内容

2 数值模拟

2．1 计算流体力学介绍

2．2 物理模型

2．3 网格划分

2．3．1 GAMBIT介绍

2．3．2 建立模型

2．3．3 网格划分

2．3．4 网格质量检查

2．3．5 网格无关性检验

2．3．6 指定边界类型和区域类型

2．4 FLUENT数值计算

2．4．1 湍流模型的选择

2．4．2 FLUENT参数设置

2．4．3 参数定义

3 肋片的结构对集热器热性能的影响

3．1 肋片形状的影响

3．1．1 肋片形状对集热器平均Nu数的影响

3．1．2 肋片形状对摩擦阻力因子的影响

3．1．3 肋片形状对热性能因子的影响

3．2 肋片节距的影响

3．2．1 肋片节距对壁面平均Nu数的影响

3．2．2 肋片节距对摩擦阻力因子的影响

3．2．3 肋片节距对热性能因子的影响

3．3 肋片倾角的影响

3．4 相对肋宽比的影响

3．5 本章小结

4 集热器壁面Nu数分布与流体流动特性的关系

4．1 不同肋片形状的Nu数分布及流动特性

4．1．1 Nu数分布特点对比

4．1．2 流体流动特性对比

4．2 肋片节距对Nu数分布和流动特性的影响

4．2．1 不同节距对Nu数分布影响

4．2．2 不同节距对流体流动特性影响

4．3 不同倾角对Nu数分布和流动特性的影响

4．3．1 不同倾角对Nu数分布影响

4．3．2 不同倾角对流体流动特性的影响

4．4 本章小结

结论

参考文献

致谢