平板型太陽能熱水器儲熱水箱蓄熱階段的數(shù)值模擬研究

【摘要】：由于太陽輻射的不穩(wěn)定性以及太陽輻射與用熱負(fù)荷的不一致性，蓄熱裝置是太陽能熱水系統(tǒng)中的一個必備部件。太陽能熱水器在儲熱階段下，儲熱水箱能夠儲存多少的有用熱量是衡量其設(shè)計優(yōu)劣的重要因素。良好的貯熱水箱設(shè)計既能降低集熱器進(jìn)口溫度，提高集熱器效率；又能增加可被利用的熱水量。 為了分析溫度分層度這一參數(shù)，本文選用了我國南方地區(qū)普遍使用的家用太陽能熱水系統(tǒng)的幾種水箱作為模型，采用試驗、數(shù)值模擬相結(jié)合的方法對儲熱水箱進(jìn)行了研究。本文根據(jù)實際生活中水箱的種類及結(jié)構(gòu)，研究了太陽能在儲熱階段儲熱水箱內(nèi)的溫度分布及冷熱水摻混情況。建立了包括控制方程、邊界條件、水的物性參數(shù)在內(nèi)的數(shù)學(xué)模型，分析了各種流速時儲熱水箱內(nèi)的摻混程度及溫度分層度，為實際工程應(yīng)用提供了堅實的理論基礎(chǔ)。 本文研究內(nèi)容如下： 首先，在相同循環(huán)流量下，對不同上循環(huán)管高度的儲熱水箱蓄熱階段進(jìn)行試驗，測得水箱下循環(huán)管口出水溫度。分析試驗結(jié)果發(fā)現(xiàn)：上循環(huán)管高度越高，下循環(huán)管出口溫度開始升溫的時間越晚，且最終出口溫度越高。 其次，利用數(shù)值模擬方法對相同尺寸、相同結(jié)構(gòu)的儲熱水箱作了對比分析。發(fā)現(xiàn)模擬的下循環(huán)管出口溫度曲線與試驗的趨勢一致，證明建立的模型可用于此類儲熱水箱的模擬研究。 再次，對常見的循環(huán)管位于底部與側(cè)面的儲熱水箱結(jié)果進(jìn)行了不同循環(huán)管高度與不同上循環(huán)管流量下的數(shù)值模擬研究，并對循環(huán)管位于側(cè)面的儲熱水箱循環(huán)管同異側(cè)結(jié)構(gòu)下水箱內(nèi)的溫度場進(jìn)行分析，得到水箱內(nèi)的溫度分布及分層情況，并采用了無量綱□參數(shù)定量化分析了水箱的溫度分層度。研究表明，相同工況下，循環(huán)管位于底部的儲熱水箱混水特性優(yōu)于循環(huán)管位于側(cè)面式的水箱；儲熱水箱上循環(huán)管高度越高，水箱內(nèi)無量綱火用值越小，水箱分層度越高；隨著入口流速的增加，水箱內(nèi)的冷熱水摻混程度增加，尤其當(dāng)上循環(huán)管入口流體流動處于湍流狀態(tài)時，水箱內(nèi)的冷熱水摻混程度較層流狀態(tài)下的冷熱水摻混情況加劇。循環(huán)管同異側(cè)結(jié)構(gòu)對儲熱水箱內(nèi)部溫度分層影響不大。 最后，本文比較普通管口、變管徑管口與楔形管口三種上循環(huán)管管口形狀下的水箱混水特性，普通管口下的水箱混水特性最優(yōu)，變管徑管口與楔形管口并未對水箱混水特性起到改善作用。 【關(guān)鍵詞】：儲熱水箱 三維數(shù)值模擬 混水特性 溫度分層 無量綱火用
【學(xué)位授予單位】：云南師范大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2014
【分類號】：S214.2
【目錄】：

• 摘要3-5
• Abstract5-7
• 目錄7-10
• 第1章 緒論10-16
• 1.1 研究背景及意義10-11
• 1.1.1 研究背景10-11
• 1.1.2 研究意義11
• 1.2 研究現(xiàn)狀11-13
• 1.3 本文工作13-16
• 1.3.1 研究對象和內(nèi)容13-14
• 1.3.2 研究方法14
• 1.3.3 創(chuàng)新點14-16
• 第2章 儲熱水箱熱性能及其評價參數(shù)16-22
• 2.1 影響儲熱水箱特性的參數(shù)16-18
• 2.1.1 儲熱水箱的高寬比16
• 2.1.2 出水口與入水口的位置16-17
• 2.1.3 入水口雷諾數(shù)17
• 2.1.4 儲熱水箱保溫性能17
• 2.1.5 進(jìn)水口結(jié)構(gòu)17-18
• 2.2 儲熱水箱溫度分層的量化18-22
• 第3章 數(shù)值模擬研究方法22-34
• 3.1 數(shù)值模擬軟件介紹22-23
• 3.2 物理模型及網(wǎng)格劃分23-25
• 3.2.1 物理模型的建立23-24
• 3.2.2 網(wǎng)格劃分24-25
• 3.3 計算模型和求解方法25-28
• 3.3.1 模型的簡化與假設(shè)25
• 3.3.2 控制方程[43]25-26
• 3.3.3 流動狀態(tài)26-27
• 3.3.4 湍流模型27-28
• 3.4 FLUENT 參數(shù)設(shè)置28-34
• 3.4.1 求解器及求解模型設(shè)置28-29
• 3.4.2 流體及材料物性設(shè)置29-30
• 3.4.3 邊界條件設(shè)置30-31
• 3.4.4 離散項設(shè)置31
• 3.4.5 亞松弛因子設(shè)置31
• 3.4.6 殘差設(shè)置31-32
• 3.4.7 初始化設(shè)置32
• 3.4.8 迭代設(shè)置32-34
• 第4章 數(shù)值模擬結(jié)果驗證34-41
• 4.1 網(wǎng)格獨立性驗證34-35
• 4.2 時間步長獨立性驗證35
• 4.3 試驗驗證35-41
• 4.3.1 試驗裝置及測試儀器36-37
• 4.3.2 試驗方案37-41
• 第5章 數(shù)值模擬結(jié)果分析41-67
• 5.1 循環(huán)管位置對水箱內(nèi)溫度分層的影響41-49
• 5.1.1 循環(huán)管位于底部的儲熱水箱41-43
• 5.1.2 循環(huán)管位于側(cè)面的儲熱水箱43-45
• 5.1.3 兩種循環(huán)管插入方式對比45-49
• 5.2 上循環(huán)管高度對水箱內(nèi)溫度分層的影響49-54
• 5.2.1 循環(huán)管位于底部的儲熱水箱不同循環(huán)管高度49-51
• 5.2.2 循環(huán)管位于側(cè)面的儲熱水箱不同循環(huán)管高度51-54
• 5.2.3 不同高度循環(huán)管高度對比54
• 5.3 循環(huán)管流量對水箱內(nèi)溫度分層的影響54-61
• 5.3.1 循環(huán)管位于底部的儲熱水箱不同循環(huán)管流量54-57
• 5.3.2 循環(huán)管位于側(cè)面的儲熱水箱不同循環(huán)管流量57-60
• 5.3.3 不同循環(huán)管入口流量對比60-61
• 5.4 對水箱內(nèi)溫度分層的影響循環(huán)管同異側(cè)61-63
• 5.5 循環(huán)管管口形狀對水箱內(nèi)溫度分層的影響63-67
• 5.5.1 循環(huán)管位于底部的儲熱水箱管口形狀改變64-65
• 5.5.2 循環(huán)管位于側(cè)面的儲熱水箱管口形狀改變65-67
• 第6章 全文總結(jié)與展望67-69
• 6.1 本文總結(jié)67-68
• 6.2 對未來工作的展望68-69
• 參考文獻(xiàn)69-72
• 攻讀學(xué)位期間發(fā)表的學(xué)術(shù)論文和研究成果72-73
• 致謝73

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