基于CFD的太阳能水箱蓄能的动态特性研究及其热力学性能优化分析

摘要

储能技术被广泛应用于可再生能源和流体输配系统，用来解决能源的供给和需求的失衡问题，其中太阳能热水利用不仅能够节约化石能源而且能够实现保护环境，从而使得太阳能集中供热式系统极具发展和应用前景。
　　作为储能装置的蓄能水箱，其性能设计对整个工作系统的运行效果有重要影响。本文对太阳能蓄能水箱内部结构进行分区设计，采用CFD方法对具有不同内部结构的蓄能水箱进行数值模拟，分析了水箱内的对流传热规律，并基于不可逆热力学理论及流动传热的场协同理论，以提高蓄能水箱可用能为目标，对水箱的温度分层机理进行深入分析。
　　通过对数值模拟结果及数据进行正确分析后得到以下结论:在水箱内设置隔板可明显改善水箱冷热分层的效果，通过左右加10个隔板，可延长水的流程，增加水的停留时间，从而可实现良好的左右冷热分层效果;通过三维模拟，在水箱前后设2个隔板，左右设5隔板，将其分隔成具有18个分隔空间的水箱，因使前后左右上下的分速度大为减缓，从而实现良好的冷热水置换分层效果;通过分析速度矢量与温度梯度矢量的协同程度来研究流场对温度场的影响，通过分析速度矢量与压力梯度矢量的协同程度来研究水箱中流动阻力减阻机理及影响因素，得出通过调整水箱内部结构进而改变流动、传热及压力梯度的方向，即改变速度与温度梯度和速度与压力梯度之间的夹角，得出具有18个分隔空间的水箱可以获得较好的热分区，容易实现温度分层，且更有利于流体的流动，同时在蓄热过程中损耗的功较少;依据热力学理论分析了水箱在蓄热过程(炯)的损失，得出在水箱内部平均温度相同条件下，具有18个分隔空间的水箱冷热水混合的(炯)损失最低，且内部储存的可用能(炯)明显高于其他类型的水箱。

目录

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摘要

第一章 绪论

1．1 研究背景

1．2 国内外太阳能蓄能水箱的研究进展

1．3 本文的主要研究内容

第二章 太阳能蓄能水箱温度分层及其性能优化理论

2．1 水蓄能原理及其理论

2．1．1 蓄热介质的选择

2．1．2 水箱温度分层储热的原理

2．2 传热流动的场协同理论

2．2．1 水箱中传热流动场协同理论

2．2．2 太阳能蓄热水箱内结构方案设计

2．3 热力学优化原理及其理论

2．4 本章小结

第三章 太阳能水箱蓄能动态模拟用CFD原理及理论

3．1 计算流体力学介绍

3．2 物理现象的数学描述

3．3 计算方法及求解过程

3．3．1 网格划分

3．3．2 计算方法

3．4 本章小结

第四章 太阳能水箱蓄能的CFD模拟

4．1 蓄能水箱的物理模型建立

4．2 网格独立性验证

4．3 基本假设与数学模型

4．4 隔板绝热边界的验证

4．5 模拟结果分析

4．5 本章小结

第五章 蓄能水箱的场协同及其热力学性能优化分析

5．1 基于场协同原理的太阳能蓄能水箱蓄能效果分析

5．1．1 场协同理论基础

5．1．2 蓄能水箱内物理场协同分析

5．2 太阳能蓄能水箱的热力学性能优化分析

5．3 本章小结

第六章 结论与展望

6．1 结论

6．2 展望

参考文献

符号表

致谢

攻读硕士学位期间论文发表及科研情况