涡发生器强化竖直矩形通道传热流动性能数值研究

摘要

本文采用数值计算的方法，研究设置在电站系统中空气流道内的集热面上的涡发生器对立式太阳能热气流发电系统非稳态自然对流流动及传热的强化作用，并结合场协同原理对涡流发生器强化太阳能热发电系统传热的效果进行评价，获得涡发生器强化太阳能热气流发电系统中矩形通道内空气与竖直平板的传热与流阻的特性关联式，为后期立式太阳能热气流发电系统的工程设计提供一定的理论依据。
　　在系统竖直矩形通道的集热面上设置了三角形小翼对及双斜向内肋对两种涡发生器，分析了肋对数、肋倾角、布置方式对系统进出口气流的温升、速度差的影响，并研究肋形尺寸对系统换热流阻的影响，获得在一定雷诺数范围内涡发生器强化矩形通道内空气流动及传热的特征数关联式。研究结果表明:
　　(1)布置涡流发生器后，系统进出口气流的速度差、温差大幅增大;随着肋对数增加，气流受到的扰动作用增强，速度与温度梯度的协同角减小，但相应也使气流的流动阻力增大，能量损失增大;随着肋倾角增加，系统的协同程度不断提高，进出口气流的温差升高，肋倾角60°时温差最大;矩形通道内设置涡发生器前后的换热强化比Nu/Nu0、阻力增大比Cf/Cf0均随着Re的增大而增大;热力性能系数随着雷诺数的增加呈增大趋势且所有通道的热力性能系数均大于1;
　　(2)利用多元回归的方法获得了两种形式的涡发生器强化矩形空气通道的传热和流阻特性关联式，结果表明:涡发生器的肋长（肋宽）、肋高、及周向肋密度等结构尺寸的增大都能使传热效果增强，肋间距的增大致使涡流发生器对流场的扰动程度降低，对流换热的效果削弱;并且随着肋长（肋宽）、肋高及周向肋密度的增大，矩形空气通道内的流动阻力增大，涡发生器布置间距增大时，流动阻力减小。
　　(3)当矩形通道内分别设置了两种形式的涡发生器后，从矩形空气通道内气流速度场与温度场的协同度、平均换热强化比、平均阻力增加比以及平均热力性能系数等角度进行综合比较，设置三角形小翼对的涡发生器更适合用于强化立式太阳能热气流电站系统竖直矩形空气通道的流动及传热性能。

目录

摘要

符号说明

1 绪论

1．1 能源发展趋势及可再生能源的利用

1．1．1 能源发展趋势

1．1．2 可再生能源的开发利用

1．2 太阳能热气流发电技术

1．2．1 太阳能资源的利用特点与利用方式

1．2．2 太阳能热气流发电技术

1．3 立式集热板太阳能热气流电站系统特点及研究现状

1．3．1 立式集热板太阳能热气流电站系统特点

1．3．2 立式集热板太阳能热气流电站系统研究现状及不足

1．4 本课题的主要研究内容及意义

1．4．1 课题研究内容

1．4．2 课题研究意义

2 系统流动与换热的理论分析基础

2．1 立式集热板太阳能热气流电站系统效率分析

2．1．1 模型简化

2．1．2 系统输出功

2．1．3 系统能量转换效率

2．2 电站换热与流动特性分析

2．2．1 电站系统模型简化

2．2．2 数学模型及计算方法

2．2．3 计算结果及分析

2．3 基于场协同原理对原系统烟囱通道内传热流动特性的分析

2．3．1 场协同原理及其评价标准

2．3．2 基于场协同原理的电站系统流动换热特性分析

2．4 涡流发生器强化传热研究的发展概况

2．4．1 涡流发生器的分类

2．4．2 涡流发生器的研究进展

2．4．3 涡流发生器的设计

2．5 本章小结

3 三角形小翼强化竖直矩形通道传热流动性能的数值研究

3．1 模型简化与计算方法

3．1．1 三角形小翼尺寸设计与系统通道模型简化

3．1．2 数值计算方法

3．2 三角形小翼对竖直矩形通道内空气换热和流动的影响

3．2．1 肋间距的确定

3．2．2 加肋前后换热与流动性能对比分析

3．2．3 肋对数的影响

3．2．4 肋倾角的影响

3．2．5 布置方式的影响

3．2．6 协同度对比分析

3．3 三角形小翼强化竖直矩形通道传热和流阻特性分析

3．3．1 正交试验法

3．3．2 数据处理

3．3．3 肋形结构尺寸对竖直矩形通道换热和流阻的影响

3．3．4 雷诺数对竖直矩形通道换热和流阻的影响

3．3．5 传热和流动阻力关联式

3．4 本章小结

4 双斜向内肋对强化竖直矩形通道传热流动性能的数值研究

4．1 模型简化与计算方法

4．2 双斜向内肋对对竖直矩形通道换热和流动的影响

4．2．1 设置肋前后系统换热与流动特性的对比分析

4．2．2 肋对数的影响

4．2．3 肋倾角的影响

4．2．4 系统场协同度对比分析

4．3 双斜向内肋对强化竖直矩形通道传热和流阻特性分析

4．3．1 数值计算方法与数据处理

4．3．2 数据处理

4．3．2 肋形结构尺寸对竖直矩形通道换热和流阻的影响

4．3．3 雷诺数对竖直矩形通道换热和流动阻力的影响

4．3．4 传热和流动阻力关联式

4．4 本章小结

5 两种涡发生器强化竖直矩形通道内换热流阻性能对比

5．1 协同度对比

5．2 平均换热强化比对比

5．3 平均阻力增加比对比

5．4 平均热力性能系数对比

5．5 本章小结

6 总结与展望

6．1 主要结论及创新点

6．1．1 主要结论

6．1．2 主要创新点

6．2 展望

参考文献

致谢

攻读硕士学位期间发表的学术论文

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