涡发生器强化相变蓄热集热墙表面换热特性数值模拟

摘要

被动式太阳能建筑将太阳能资源用于建筑冬季供热采暖，而不使用额外的动力设备。本文针对传统太阳能蓄热集热墙系统傍晚供热量低，储存的热能不能及时释放等问题，利用相变材料蓄能结合涡发生器强化传热性能进行了数值模拟。采用CFD方法，加载软件包中的太阳负荷模型，使用太阳射线跟踪法模拟太阳辐射。建立了太阳能相变蓄热集热墙的三维非稳态模型，以北京地区气象参数为基础，对墙体内部的流动和换热进行了模拟。 通过与太阳辐射气象参数对比，选用太阳射线跟踪法模拟太阳辐射，误差小于6％其结果比较可靠。模拟结果表明，在设定的条件下，选用相变温度为320K的相变材料，其储热放热性能最优，傍晚夜间供热量相比普通墙体提高17.4％。分析了不同高度三角翼涡发生器多排布置于蓄热集热墙表面，对墙体平均换热性能的影响，结果选用6 cm高度的涡发生器，强化换热最好，能降低壁面温度3.7℃，提高室内出风口温度2℃，对流换热系数提高13.9％。 最后综合应用相变温度为320K的相变材料与6cm高的涡发生器建立相变蓄热集热墙模型，模拟结果表明傍晚阶段供热量提高57.3％，墙体的热效率得到大幅提升，节能效果显著。所得结果对高效被动式太阳能建筑采暖设计和工程应用提供了有益参考。

目录

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摘要

第1章 绪论

1．1 课题背景与研究的意义

1．1．1 太阳能资源开发与气候变化

1．1．2 我国太阳能被动式采暖建筑的发展

1．1．3 蓄热集热墙的研究进展

1．1．4 自然对流空气流动强化传热技术

1．2 此研究领域存在的问题

1．3 本课题的研究内容与方法

第2章 蓄热集热墙系统传热过程

2．1 太阳能蓄热集热墙系统传热过程分析

2．2 太阳辐射能量计算

2．3 影响太阳辐射主要因素

第3章 CFD软件设置与模型验证

3．1 CFD求解流程与湍流模型

3．2 CFD软件中的太阳负荷模型设置与验证

3．3 自然对流问题

3．4 模型验证

3．5 本章小结

第4章 相变蓄热集热墙系统热性能的模拟研究

4．1 模型的建立和边界条件的设置

4．2 模拟结果分析

4．2．1 有、无相变材料时对太阳能蓄热集热墙的影响

4．2．2 不同相变温度的相变材料对蓄热集热墙供热量的影响

4．3 本章小结

第5章 蓄热集热墙系统结合涡发生器的数值模拟

5．1 模型的建立和网格的划分

5．2 求解与边界条件的设置

5．3 有、无涡发生器对墙体热性能的影响

5．4 不同高度涡发生器的布置对蓄热集热墙体的热性能影响

5．5 涡发生器对空气通道内部自然对流的影响

5．6 本章小结

第6章 涡发生器强化传热的相变蓄热集热墙模拟

6．1 涡发生器的设置对流场的影响

6．1 组合系统对壁面温度的影响

6．2 组合系统对供热负荷的影响

6．3 本章小结

第7章 结论与展望

7．1 结论

7．2 展望

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文及其它成果

致谢