涡流发生器对太阳能空气集热器性能影响研究

摘要

太阳能空气集热器是太阳能光-热利用中应用最广泛、最简单的一种形式，而集热器作为太阳能热利用系统的核心部件，集热器与空气的高效换热是亟需攻克的关键技术之一。空气作为太阳能空气集热器的传热介质由于其物性限制，造成与集热底板之间的换热率较低。较低的换热效率致使集热底板聚热升温，进而导致辐射热损失增大。因此，如何有效地增强换热减少辐射热损失对提高太阳能空气集热器的应用具有重要的意义。　　对于增强换热，常见的有改变集热板形状或者对集热板采用人工增糙两种途径。本文采用人工增糙的方法，即在集热器底板上布置三角锥、圆柱、正方体和正三棱柱4种涡流发生器这一方式开展研究工作。　　首先，利用正交试验与仿真模拟等方法对集热器换热性能展开研究，详细分析涡流发生器形状、高度、间距、排列方式与入口流速对集热器集热效率影响的显著性，通过分析这5个因素对集热效率的影响规律，获得最佳工况。　　然后，在正交试验极差分析结果的基础上，探究各因素对换热性能的影响。通过与光滑集热器底板的努赛尔数和摩擦阻力系数进行对比，揭示内置涡流发生器集热器强化机理，为其优化提供理论依据。　　最后，结合各章试验结论与前人研究结果提出影响太阳能空气集热器换热性能的3个无量纲数，运用因次分析法归纳总结出完全针对内置涡流发生器的太阳能空气集热器底板的努赛尔数和摩擦阻力系数准则关联式。

目录

声明

第 1 章 绪 论

1.1 研究背景及意义

1.2 平板型太阳能空气集热器研究现状

1.3 本文的主要工作

1.3.1 研究目的

1.3.2 研究内容

第 2 章 数值计算模型建立

2.1 CFD概述

2.1.1 计算流体动力学的工作步骤

2.1.2 计算流体动力学的特点

2.1.3 ANSYS FLUENT软件介绍

2.2 物理模型

2.3 网格建立及计算模型的选择

2.3.1 几何建模与网格划分

2.3.2 网格无关性检验

2.3.3 湍流模型介绍及选取

2.3.4 辐射模型介绍及选取

2.3.5 数值模型参数设置

2.3.6 数值模型正确性验证

2.4 本章小结

第 3 章 涡流发生器参数的正交试验优化

3.1 常见的优化试验设计方法

3.1.1 析因设计法

3.1.2 均匀设计法

3.1.3 正交试验法

3.2 正交试验方案设计

3.2.1 合理的试验指标

3.2.2 试验因素及水平的确定

3.2.3 正交试验表的确定

3.3 试验指标的结果分析

3.4 二次正交试验优化

3.4.1 试验因素水平与正交表的确定

3.4.2 试验指标结果的极差分析

3.4.3 试验指标结果的方差分析

3.4.4 最佳优化工况的确定

3.5 本章小结

第 4 章 涡流发生器参数对流动换热特性影响

4.1 分析指标

4.2 涡流发生器高度对换热性能的影响

4.2.1 高度对Nu/Nu0的影响

4.2.2 高度对f/f0的影响

4.2.3 高度对综合热性能因子η的影响

4.3 涡流发生器间距对换热性能的影响

4.3.1 间距对Nu/Nu0的影响

4.3.2 间距对f/f0的影响

4.3.3 间距对综合热性能因子η的影响

4.4 雷诺数对换热性能的影响

4.4.1 雷诺数对Nu/Nu0的影响

4.4.2 雷诺数对f/f0的影响

4.4.3 雷诺数对综合热性能因子η的影响

4.5 排列方式对换热性能的影响

4.5.1 排列方式对Nu/Nu0的影响

4.5.2 排列方式对f/f0的影响

4.5.3 排列方式对综合热性能因子η的影响

4.6 本章小结

第 5 章 内置涡流发生器集热器底板对流换热无量纲关联式

5.1 集热器底板对流换热无量纲关联式的研究现状

5.2 集热器底板对流换热无量纲关联式的理论分析

5.3 不同形状涡流发生器底板对流换热无量纲关联式

5.4 本章小结

结论

参考文献

攻读硕士学位期间主要成果

致谢