基于CFD的太陽能分層加熱儲熱水箱優(yōu)化研究

【摘要】：太陽能熱水系統(tǒng)節(jié)能、安全、環(huán)保,是應用最廣泛的清潔能源熱水系統(tǒng)之一,作為儲熱裝置的儲熱水箱設計對太陽能熱水系統(tǒng)的工作效率有很大的影響。目前市場上的電輔助太陽能熱水系統(tǒng)經(jīng)常會有加熱過多的水,而造成能源浪費的現(xiàn)象。為了解決這一問題,本文基于計算流體力學(CFD)模擬優(yōu)化一種太陽能分層加熱儲熱水箱,期望達到按照需要熱水量進行加熱的目的。 本文采用計算流體力學技術對儲熱水箱內的流場進行計算模擬。在模擬過程中,用GAMBIT以及Ansys ICEM軟件對計算區(qū)域生成計算網(wǎng)格,選擇層流模型對其進行非穩(wěn)態(tài)數(shù)值模擬分析。影響儲熱水箱分層加熱的主要有四個因素：從加熱水箱導入到儲熱水箱的熱水的溫度(T),熱水導管的直徑(D)和高度(H),電加熱器的功率(P)。根據(jù)模擬結果,搭建試驗平臺,驗證計算模擬的正確性。對水箱內流場進行正交模擬分析,并定義了熱量輸入利用率η來判斷儲熱水箱的分層加熱效果的優(yōu)劣。通過結果分析得到以下結論： 1、新型儲熱水箱能夠實現(xiàn)分層加熱,按需水量進行加熱的目的。 2、通過二維模擬,可知新型分層加熱儲熱水箱中的熱水導管的高度是影響儲熱水箱分層加熱的關鍵因素。對于高1600mm,直徑360mm的水箱,最佳的導管高度為1200mm；熱水從加熱水箱流到儲熱水箱的速度應≥0.012m/s,否則儲熱水箱內容易出現(xiàn)冷熱水混亂嚴重的現(xiàn)象；16組模擬中,當T=333K, D=32mm, H=1200mm, P=2kW時,儲熱水箱內溫度分層明顯,熱量輸入利用率η最高。 3、將試驗結果與模擬結果相對比,二者之間具有較好的一致性,一定程度上驗證了模擬的正確性?；贑FD模擬分析儲熱水箱的流場,對儲熱水箱的設計有一定的指導性意義。 【關鍵詞】：太陽能 儲熱水箱 CFD 分層加熱 溫度場
【學位授予單位】：浙江大學
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2014
【分類號】：S214.2
【目錄】：

• 致謝6-7
• 摘要7-8
• Abstract8-12
• 第1章 緒論12-18
• 1.1 概述12-13
• 1.2 太陽能儲熱水箱的研究現(xiàn)狀13-16
• 1.2.1 太陽能儲熱水箱的水溫分層研究13-14
• 1.2.2 太陽能儲熱水箱的分層加熱研究14-16
• 1.3 主要研究內容與目標16-17
• 1.3.1 研究內容16
• 1.3.2 研究目標16-17
• 1.4 研究的技術路線及設備17-18
• 1.4.1 技術路線17
• 1.4.2 研究設備17-18
• 第2章 計算流體力學理論基礎18-25
• 2.1 計算流體力學(CFD)概述18
• 2.2 計算流體力學的思想18
• 2.3 計算流體力學的特點18-19
• 2.4 對控制方程的離散方法19-20
• 2.4.1 概述19
• 2.4.2 有限體積法19-20
• 2.5 湍流數(shù)值模擬方法20-21
• 2.6 湍流模型21-22
• 2.7 區(qū)域離散22-25
• 2.7.1 網(wǎng)格類型23-24
• 2.7.2 生成網(wǎng)格的類型24-25
• 第3章 新型分層加熱儲熱水箱設計25-29
• 3.1 新型太陽能分層加熱儲熱水箱設計25-26
• 3.2 不同熱源新型儲熱水箱設計26-29
• 第4章 儲熱水箱數(shù)值模擬29-47
• 4.1 橫擬的目的與計算軟件的選擇29
• 4.2 儲熱水箱的物理模型建立與網(wǎng)格劃分29-33
• 4.2.1 定義物理模型29-31
• 4.2.2 模型的簡化與假設31-32
• 4.2.3 模型網(wǎng)格劃分32-33
• 4.3 計算模型的選擇與設置33-36
• 4.3.1 求解器和計算模型33-34
• 4.3.2 材料特性34
• 4.3.3 運行條件34
• 4.3.4 邊界條件34
• 4.3.5 控制條件34-35
• 4.3.6 亞松弛因子設置35
• 4.3.7 初始化設置35
• 4.3.8 殘差設置35
• 4.3.9 迭代設置35-36
• 4.4 計算結果與分析36-47
• 4.4.1 典型的流場類型36-42
• 4.4.2 四組水溫分層明顯的儲熱水箱42-47
• 第5章 儲熱水箱的三維模擬及試驗驗證47-57
• 5.1 模型網(wǎng)格劃分47-48
• 5.2 計算設置48-50
• 5.2.1 求解器和計算模型48
• 5.2.2 材料特性48
• 5.2.3 運行條件48
• 5.2.4 邊界條件48-49
• 5.2.5 控制條件49-50
• 5.3 計算結果與分析50-52
• 5.4 試驗驗證52-57
• 5.4.1 建立試驗系統(tǒng)52-53
• 5.4.2 試驗結果與分析53-57
• 第6章 結論及展望57-59
• 6.1 結論57
• 6.2 展望57-58
• 6.3 研究的創(chuàng)新點58-59
• 參考文獻59-65
• 作者簡介65

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