毕业设计（论文）-槽式太阳能热发电系统中内置扰流柱群集热管的换热特性研究.doc

哈尔滨工业大学毕业设计（论文）摘 要太阳能光热利用主要有无污染、零排放、不使用传统化石燃料的优点，其主要有槽式、塔式、碟式和线性菲涅尔式四种。目前槽式太阳能热发电系统已经在成熟的商业化应用中，但是，槽式太阳能热发电系统中的管式集热器在运行过程中，存在着换热效率低，温度场分布不均匀，换热温差大等问题。为了强化管式集热器的换热、均匀化集热器的温度场，提高系统利用效率，本文引入内置扰流柱群管作为抛物槽式太阳能热发电系统的集热器。本文首先以圆管式太阳能集热器为研究对象，建立太阳能槽式热发电系统中集热器的流动传热模型，对管式集热器表面的温度分布特性，热流分布特性进行分析，研究雷诺数对圆管式太阳能集热器的温度分布特性，流动与传热特性的影响规律；其次，引入内置扰流柱群管式太阳能集热器，建立内置扰流柱群管式太阳能集热器的流动传热模型，对内置扰流柱群管式集热器的传热特性及流阻特性进行数值研究，着重分析扰流柱分布特性和雷诺数对内置扰流柱群管式集热器的传热和流阻特性的影响。研究结果表明，内置扰流柱群管式太阳能集热器具有明显的强化传热性能，与圆管式太阳能集热器相比，其努塞尔数最多提高6.6%，此时的综合传热因子提高8%，集热器温度场分布更加均匀。关键词：太阳能；热流分布；强化传热；温度场；热应力；内翅片管AbstractThere are three main advantages of the photo-thermal utilization of solar energy：（1）pollution-free（2）zero-emission（3）nonuse of fossil fuel. The four main kinds of solar energy photo-thermal utilization are parabolic trough collectors, parabolic dish collectors, heliostats and linear Fresnel reflectors. At present, among these, the parabolic trough collectors is the most commercially utilized.A series problems of the parabolic trough collector are: low efficiency of heat transfer, non-uniform temperature distribution and high heat transfer temperature difference. An innovative inserted pin-fin arrays tube is introduced to realize heat transfer augmentation, homogenizing temperature distribution and promoting efficiency.Primarily, our research is based on the smooth tube. A flow and heat transfer model has been developed to investigate the distribution of temperature and heat flux of the parabolic trough collector, and the influence of Reynolds number is also investigated. Secondly, an innovative inserted pin-fin arrays tube is introduced and investigated by building flow and heat transfer model. The influence of Reynolds number and distribution of fins on heat transfer and flow resistance characteristics are mainly investigated.The results show that the parabolic trough receiver with inserted pin-fin arrays tube has a significant ability of heat transfer augmentation. Compared to smooth tube, the inserted pin-fin arrays tube can rise the Nussult number for 6.6% and the overall heat transfer performance for 8%.Keywords: solar energy, heat flux distribution, thermal strain, heat transfer enhancement, inserted pin-fin arrays不要删除行尾的分节符，此行不会被打印- I -哈尔滨工业大学毕业设计（论文）目 录摘 要IAbstractII第1章 绪论11.1 课题背景及研究意义11.2 管式集热器的温度场及热应变研究现状31.2.1 管式集热器的温度场研究现状31.2.2 管式集热器的热应变特性研究现状41.3 内翅片管换热器的研究现状51.4 本文的主要研究内容6第2章 太阳能管式集热器内流动及换热模型82.1 引言82.2 模型建立82.2.1 物理模型82.2.2 数学模型92.2.3 边界条件142.2.4 udf编译152.3 网格划分及无关性验证172.3.1 网格划分172.3.2 网格无关性验证182.4 模型验证192.5 本章小结20第3章 圆管式太阳能集热器流动与换热特性研究213.1 圆管式太阳能集热器换热特性研究213.2 圆管式太阳能集热器流动特性研究253.3 本章小结27第4章 内置扰流柱群管式太阳能集热器的流动与换热特性研究294.1 内置扰流柱群管式太阳能集热器模型294.2 扰流柱群管式太阳能集热器流动换热特性研究314.3 圆周上扰流柱数目对扰流管换热特性的影响374.4 本章小结40第5章 结论与展望415.1 结论415.2 后续工作展望42参考文献43攻读学位期间发表的学术论文48致 谢49千万不要删除行尾的分节符，此行不会被打印。在目录上点右键“更新域”，然后“更新整个目录”。打印前，不要忘记把上面“Abstract”这一行后加一空行- III -哈尔滨工业大学毕业设计（论文）第1章 绪论1.1 课题背景及研究意义随着经济的迅速发展，我国对能源的需求量也在逐年递增。目前我国已经成为全球能源消耗量最大的国家。表1-1中国一次能源消费结构（百万吨油当量/Mtoe）1原油天然气煤核能水力发电再生能源总计2003266.429.5834.79.963.7-1204.22004318.935.1978.211.480.0-1423.52005327.841.21095.912.089.9-1566.72006353.250.51215.012.498.6-1729.82007362.862.61313.614.1109.8-1862.82008375.772.61406.315.5132.4-2002.52009388.280.61556.815.9139.36.92187.72010428.698.11713.516.7163.112.12432.22011461.8117.61839.419.5157.017.72613.22012483.7129.51873.322.0194.831.92735.2表1-1与表1-2所示分别为20032012年我国一次能源消费结构以及各种能源消费所占的百分比。从表1-1与1-2我们可以看出目前我国能源消费仍然是以传统的化石能源（特别是煤炭能源）为主。然而，当今世界正面临着能源危机、传统能源消耗带来的环境污染与气候变暖等问题。因而，寻找新型、清洁环保的替代能源已逐渐成为了人们关注与研究的热点问题。太阳能以其储量的无限性、开发利用的清洁性，成为21世纪解决开发利用化石能源带来的能源短缺、环境污染和温室效应等问题的有效途径之一1,2。太阳能资源的利用按照能量转化方式可以分为光热转换利用、光电转换利用和光化学转换利用3。其中，太阳能热动力发电是太阳能光热转换的有效途径之一，它具有清洁、无污染等优点。但是由于太阳能资源具有能流密度低，易受到昼夜、季节、和地理纬度等因素影响的缺点，必须通过聚集技术将低热流密度的太阳辐射聚集起来，形成高汇聚的太阳能热流以实现降低热损失和高效的能源利用。表1-2中国一次能源消费百分比（%）1原油天然气煤核能水力发电再生能源总计200322.12.469.30.85.3-100200422.42.568.70.85.6-100200520.92.669.90.85.7-100200620.42.970.20.75.7-100200719.53.470.50.85.9-100200818.83.670.20.86.6-100200917.73.771.20.76.40.3100201017.64.070.50.76.70.5100201117.74.570.40.76.00.7100201217.74.768.50.77.11.2100传统的太阳能热动力发电系统包括发电子系统、传热和蓄热系统、集热子系统。集热子系统由聚光系统、管式集热器和跟踪系统等部件构成。太阳光辐射经过聚光系统汇聚后形成了高倍汇聚的太阳能辐射能，照射到安装在聚光系统焦平面处的管式集热器上，加热管式集热器内的换热流体，产生热水或蒸汽驱动发动机，进而带动电机产生电能。由于受昼夜、季节、地理纬度和天气变化等因素的影响，太阳能的热利用具有显著的间断性和不均匀性，导致太阳能管式集热器承受反复高温差的热冲击循环，管式集热器容易产生高的热应力并引发管式集热器玻璃管罩破裂以及管式集热器的弯曲变形并最终失效4。如：墨西哥国立大学太阳能热发电站在实验和运行中，多次发生不锈钢管式太阳能管式集热器大弯曲变形并引发玻璃罩破裂的事故4-9；美国Solar One电站和西班牙CESAI电站都发生过热应变引起管式集热器的失效而导致太阳能热动力发电站停止运行的事故10。因此，开展对太阳能聚集系统管式集热器的温度场、热应变以特性的研究，对防止太阳能热发电系统在实际运行过程中运行温度过高以及抑制热应变产生具有重要的指导意义，同时也能为研究太阳能高温热利用过程中热、力学行为提供理论基础。1.2 管式集热器的温度场及热应变研究现状管式集热器是太阳能热动力发电系统中的最主要关键部件之一，管式集热器效率的高低，对整个太阳能热动力发电系统效率有着重要的影响11-13。管式集热器主要由两大部分组成：吸热体（或吸热板）和含有选择性透过涂层的光学窗口：吸热体（或吸热板）的基本功能是吸收聚光系统汇聚后的太阳辐射能，通过导热、对流和辐射耦合换热的方式将汇聚后的太阳能转化为热能，并传递给传热工质；光学窗口的主要作用是增强太阳辐射的透过率，使其投射在吸热体上，同时减少吸热体在温度升高后向环境的辐射散热损失和对流散热损失14-16。由于管式集热器的表面受到聚光系统汇聚后的非均匀热流密度以及间歇太阳能热流的特点，管式集热器容易承受高的热应力并引发玻璃罩的破裂及管式集热器的弯曲并最终失效4-8。因此，对管式集热器的温度和热应变特性的研究可以为提高管式集热器的热效率、解决管式集热器在运行过程中因温度以及热变形量过高而导致的失效问题提供参考性建议。1.2.1 管式集热器的温度场研究现状美国科罗拉多州立大学的Harris等17于1985年采用理论分析的方法对圆柱形、平顶锥形、椭圆形、球形及复合平顶锥形腔体式太阳能管式集热器在工作温度范围为550900C时的热性能及热损失进行了分析，分析过程中考虑了六种热损失：抛物型碟式及槽式聚光系统的镜面反射损失、镜面误差损失、管式集热器内部高温热辐射和反射损失、管式集热器开口处的对流换热损失及管式集热器壁面与保温层的导热损失。西班牙的M.I.Roldn等人18通过计算流体力学软件Fluent对采用过热蒸汽条件下抛物槽式太阳能聚光系统的管式集热器管壁的温度场分布进行了模拟研究，并通过实验测量对模拟结果进行了验证。2008年，德国航天中心的Lpfert等采用14支测量精度为2.5K的铠装热电偶对长度为4m的铜质管式太阳能管式集热器的热性能进行了研究：管式太阳能管式集热器的直径为50mm，外层敷5mm厚的岩棉保温层；加热功率为5900W的电加热器插入管式太阳能管式集热器的内部进行加热；管式集热器内部流体为导热油（Syltherm800）,流体的流速测量采用涡街质量流量计19。所有的实验都是基于热平衡条件下进行测试的，在测试的过程中没有考虑辐射换热损失。2009年，西班牙Villar等基于微小体积内的能量与质量守恒原理开发了一种新的三维瞬态数学模型来计算平板式太阳能集热器的热效率；这种新模型不但考虑了材料物性随温度变化的特性，而且还考虑了太阳能集热器与蜂窝状保温层之间的隔热性能对太阳能集热器热效率的影响；为了验证模型的可靠性，Villar等还分析了不均匀流速工况下平行管式太阳能集热器的热效率，并将计算结果与实验结果进行对比分析20。1.2.2 管式集热器的热应变特性研究现状2014年，中国科学院的吴志勇等人采用商业软件Fluent与Ansys联合计算的方法对管式太阳能管式集热器的热应力及热变形进行了数值分析21。在分析过程中首先通过MCRT法获得管式太阳能管式集热器外表面受到的太阳能总辐射热流，再通过商业软件Fluent模拟获得管式集热器的温度场分布，最后将Fluent计算得到的网格节点温度场导入到Ansys中，并作为管式太阳能管式集热器热应变分析的温度载荷，计算获得热应变的分布特性。管式太阳能管式集热器中的玻璃罩与金属管连接密封节的破裂是引起槽式太阳能热动力发电站事故的主要原因之一，而密封节在制造过程中由于冷却工艺而产生的残余应力降低了密封节的强度并容易引发密封节的损坏。中科院电工所的王志峰等于2010年采用商业软件Ansys对密封节的残余应力进行了分析，并将数值模拟结果与实验结果进行了对比验证；为了提高密封节的可靠性，王志峰等采用有限元法对玻璃罩、金属管及连接密封节进行了优化设计，优化设计结果显示随着玻璃罩与金属管的接触面积的增大，密封节的残余应力降低，密封节的强度增大22。Verlotski等人采用实验的方法对管式太阳能管式集热器的热应力影响因素进行了分析，实验结果表明通过控制流体流速和采用新型合金材料可以有效的降低管式太阳能管式集热器的热应力22。墨西哥国立大学的槽式太阳能发电站中的管式太阳能管式集热器在实验和运行过程中多次发生了管式集热器的大变形及损坏，并导致了玻璃罩的破裂，引起太阳能发电站的停产等事故。为了解决由于管式集热器在运行过程中受到热流密度不均匀而引起高热应力的情况，Almanza和Flores等提出了采用铜管式太阳能管式集热器替代不锈钢管式太阳能管式集热器，并提出了一种铜不锈钢双层管式太阳能管式集热器；实验结果表明，铜不锈钢双层管式太阳能管式集热器能够有效的解决管式太阳能管式集热器在实验和运行中发现的大变形现象3。1.3 内翅片管换热器的研究现状内翅管的加工手段主要是采用特殊的焊接工艺和设备，基于普通圆管，在其内壁面加工出不同形状和结构类型的翅片或肋片。这种特殊结构能够增加换热管内的传热面积，同时有效促进管内流体的扰动，从而达到管内强化传热的目的。但是通常情况下，翅片使在增加换热管传热系数时，管内的摩擦阻力损失也相应增加。内翅片管于二十世纪七十年代提出并开始快速发展，起初内翅片主要是针对单相传热44-46，直到二十世纪九十年代又开发出应用于相变传热的翅片管47。近年来，随着计算机技术的发展，利用数模模拟方法对内翅片管的研究逐渐增多。Zhang和Faghri48采用有限差法研究了某热能存储系统内使用内翅片管后的强化传热现象。分析发现，增加翅片的高度、厚度以及翅片个数都可以显著增强换热；此外，在低雷诺数下，传输低热导率的熔融流体时，内翅片管的强化效果最为显著。Rout等49应用有限体积法研究了二维轴对称内翅片的传热性能，考察了翅片的形状、尺寸、数量对传热性能的影响。研究结果表明存在一个最优的翅片数量能够保持管壁温度在最低水平。另外，相比于矩形和T形翅片，三角形翅片所能达到的管壁温度最低。国外对内翅片管的研究进行的相对较早，近年来，国内对内翅片相关的研究也逐渐重视。西安交通大学的吴峰等50-52对一种新型纵向内翅片进行了数值模拟及实验研究，随后针对脉动流条件下带突起的内翅片管进行了数值模拟研究。田林等53对内翅片上增加凸起进行了实验研究，发现增加凸起的换热管更适用于压缩机中冷器。马挺等54对插管式内翅管进行了数值模拟研究，得知插管式内翅片管相对于传统内翅片管具有大幅降低热应力的优点，同时在承受高压方面也比原表面回热器具有更大的优势。1.4 本文的主要研究内容本文将采用商业软件Fluent对太阳能热发电系统中管式集热器与D12导热油的流动与换热特性进行数值模拟研究。本文的主要研究内容如下：（1） 建立抛物槽式太阳能聚光系统中的管式集热器模型，采用商业软件Fluent对管式集热器模型的流动与换热情况，温度分布特性进行数值模拟研究；改变管式集热器管内流体的雷诺数，研究雷诺数变化对管式集热器上的流动与换热情况，温度分布特性的影响规律，其中的研究对象主要有对流换热系数，平均努塞尔数，扰流管平均努塞尔数和光管平均努塞尔数的比值，综合传热因子等。（2） 利用Fluent中的udf功能，自定义函数，将D12导热油的物性参数随温度变化的规律拟合成函数式，写成C语言代码，导入Fluent中；利用蒙特卡洛光线追踪法得到集热器管壁外周的太阳能热流密度分布规律，将其整理成函数式，再写成C语言代码导入fluent中应用。（3）在太阳能集热管内壁面放置扰流柱群，研究以内置扰流柱群管作为集热器的流动与换热情况，温度分布特性；主要考察雷诺数、柱群无量纲组间距两个参数对管式集热器流动与换热情况，温度分布特性的影响，评估综合换热性能。（4）结合雷诺数（Re），柱群无量纲组间距（x/L），圆周扰流柱数目（N）等因素，综合分析集热器的流动与换热情况，温度分布特性，以综合传热因子为评判指标，提出不同雷诺数下最优化的工况和几何参数。第2章 太阳能管式集热器内流动及换热模型2.1 引言本章将对太阳能集热系统的圆管式集热器进行研究，为后续新型集热器的研究提供指导，主要研究方法是采用Fluent软件进行分析，重点研究流动换热情况及温度场分布特性。2.2 模型建立2.2.1 物理模型如图2-1所示为抛物槽式太阳能聚光系统的整体示意图，太阳光沿y轴方向入射，经过槽式聚光系统聚集并反射后，照射到太阳能管式集热器外表面下半部分。太阳能管式集热器外表面的下半部分受到高汇聚太阳光的照射，而管式集热器外表面上半部分受到非汇聚的太阳光照射。因此，管式太阳能集热器外表面的热流密度场分布为高度非均匀的，太阳能管式集热器容易承受高的温度梯度，并引起高的热应力而导致管式集热器的失效3。表2-1 抛物槽式太阳能聚光系统中管式集热器各结构参数特征参数数值槽式聚光器的长度Lm4管式集热器的外半径R1m0.035管式集热器的内半径R2m0.03图2-2和图2-3所示为太阳能管式集热器结构与换热关系的示意图，由图2-2可以看出太阳能管式集热器为金属玻璃真空管结构构成，最外层是一层很薄的透明玻璃罩，它的太阳光透过率为0.965，接近于1。内层为管式集热器的集热管，为了降低管式集热器的热损失，一般会在管式集热器外表面涂一层选择性涂层。玻璃罩与管式集热器之间是真空环境，换热流体在管式集热器内流动。管式集热器各部分尺寸如表2-1所示。图2-1 抛物槽式太阳能聚光系统的整体示意图 图2-2 管式集热器剖面示意图图2-3 抛物槽式太阳能聚光系统管式集热器示意图2.2.2 数学模型在太阳能热动力发电系统管式集热器的数值模拟过程中，太阳能管式集热器内换热流体的流动和换热过程都要受质量守恒定律、动量守恒定律及能量守恒定律的支配。（1）质量守恒方程 (21)（2）动量守恒方程 (22) (2-3) (2-4)（3）能量守恒方程流体项： (2-5) 式中 耗散函数；v体胀系数，由公式求得：对于常物性不可压缩流体并忽略耗散函数，公式(2-5) 可以简化为： (2-6)固体项： (2-7)2.1.2.1湍流模型选择湍流流动是非常复杂的流动，在计算湍流流动时，需要附加湍流方程，湍流模型方程的选择要根据实际情况进行选择。为了能全面、精确地对所有流动问题中的湍流现象进行模拟，Fluent中提供了多种湍流模型供使用者选择。（1）标准k-模型标准k-模型是由Launder和Spalding于1972年提出的，是目前工程流体计算的主要模型，具有适用范围广、经济、计算快捷而且有合理精度的优点。它主要基于湍流动能和扩散率。它的主要方程如式（2-8）和式（2-9）所示：湍流动能方程： （2-8）湍流耗散率： （2-9）式中 C1，C2，C3经验常数；k、分别对应于湍流动能k和耗散率的普朗特数；Gk由层流速度梯度而产生的湍流动能；Gb由浮力而产生的湍流动能；Sk、S用户自定义的原项；C湍流常数。（2）RST雷诺应力模型RST是RANS中制作最精细的模型。放弃等方性边界速度假设，RST使得雷诺平均N-S方程封闭，解决了关于方程中的雷诺压力及耗散速率。建立雷诺应力输运方程： （2-10） （2-11） （2-12） （2-13） （2-14） （2-15） （2-16） （2-17）RST可以考虑一些各项异性效应。在计算突扩流动分流区和计算湍流输运各项异性较强的流动时RST优于双方程模型。就三维问题而言，采用RST意味着要多求解6个Reynolds应力微分方程，计算量大，对计算机要求高；本文中的模型流动是简单的圆管内湍流问题，采用标准k-模型不但可以节约计算时间而且能够满足计算精度要求。因此，本文中选用标准k-模型进行本文的模拟研究。2.1.2.2 辐射模型选择Fluent中的辐射模型主要有5种辐射模型：DTRM模型、P1模型、Rosseland模型、P1模型、S2S模型。2.1.2.3太阳加载模型1、DTRM模型FLUENT中提供了太阳加载模型对计算区域中的太阳辐射热流的作用进行仿真，模型包含了两个选项：太阳线跟踪选项和DO辐照选项。太阳线跟踪选项是使用射线跟踪模型将太阳辐射载荷用于能量方程中原项的方法。DO辐照选项是使用离散坐标（DO）模型计算进入计算域中的辐射载荷的方法，并且包含了可用于直接对DO模型提供外部射线方向和强度参数的选项。太阳加载模型包括了太阳计算器，能够计算给定日期、时间、和位置的太阳方位。太阳加载模型只在3D求解器中使用，并能够用于稳态和非稳态流场计算27。优势：（1）模型较为简单。（2）可以通过增加射线数量来提高计算精度。（3）可以用于光学深度非常广的情况下。限制：（1）假定所有表面都是散射的。意味着表面的入射辐射是关于入射角各向同性反射的。（2）不包括散射效应。（3）基于灰体辐射假定。（4）对于大数目的射线问题，非常耗费CPU时间。（5）不能与非共形交界面或滑移网格同时使用。（6）不能用于并行计算中。2、P1模型优势：（1）辐射模型为一个扩散方程，求解需要较少的CPU时间。（2）考虑了扩散效应。（3）对于光学深度比较大（如燃烧应用中），P-1模型表现非常好。（4）P-1模型使用曲线坐标很容易处理复杂几何限制：（1）假定所有的表面均为散射。（2）基于灰体辐射假定。（3）在光学深度很小时，可能会丧失精度。（4）倾向于预测局部热源或接收器的辐射通量。3、Rosseland辐射模型优势：相对于P-1模型，它不求解额外的关于入射辐射的传输方程，因此比P-1模型计算要快，且更节省内存。限制：只能用于光学深度比较大的情况，推荐用于光学深度大于3的情况下；不能用于密度基求解器。4、DO模型DO模型能够求解所有光学深度区间的辐射问题；能求解燃烧问题中的面对面辐射问题，内存和计算开销都比较适中。DO模型能用于计算半透明介质辐射。5、S2S辐射模型非常适用于封闭空间中没有介质的辐射问题（如航天器的排热系统、太阳能收集系统、辐射供热装置等）。限制：（1）假定所有表面均为散射的。（2）灰体辐射假设。（3）内存和存储量需求在表面增加时，增长得非常快。（4）不能用于participating radiation问题。（5）不能用于存在周期边界的模型中。（6）不能用于存在对称边界问题中。（7）不支持非共形交界面、悬挂节点或网格自适应中。本文模拟研究中主要考虑管式集热器外壁面与玻璃罩内壁面之间的辐射换热，管式集热器与玻璃罩之间是真空环境。因此，本文数值计算中选用S2S辐射模型计算辐射问题。2.2.3 边界条件（1）流动边界条件对于流体区域，其入口与出口的边界条件定义如下：入口：vz=vinlet, vr=v=0m/s, （L=0, 0RRi, 0360）；出口：自由出口；管式集热器内壁面无滑移边界条件：vz=vr=v=0m/s, （R=Ri, 0360, 0L2）。（2）热边界条件流体的初始温度Tf=Tin=300K；换热流体与管式集热器内壁面之间为耦合换热，管式集热器受到太阳光照射，太阳能辐射热量采用蒙特卡洛法计算得到，在Fluent中采用udf进行定义；为增加太阳能的吸收率，在管式集热器外壁面涂有选择性涂层。表2-2 选择性涂层、管式集热器与玻璃罩物性参数选择性涂层管式集热器玻璃罩密度r kg/m3200080302220比热cp J/(kgK)400502.48745动力粘度m Pas-导热系数K W/(mK)0.516.271.38杨氏模量E Gpa-22088泊松比-0.250.215热膨胀系数10-6/ K 10-6/ K-17.29.02.2.4 udf编译本文中集热器管内换热流体采用D12导热油，它的各个物性参数均随温度变化而变化。在Fluent模拟计算过程中除比热容外，其余各参数均采用udf法定义，由于受Fluent自身限制，无法使用udf法定义比热容，本文中采用分段线性函数（piecewise-linear）对其进行线性拟合。导热油的各个物性参数的函数关系式如下： （2-18） （2-19）（2-20） （2-21）入射的太阳光线经过聚光系统汇聚后，形成了高倍汇聚的太阳能辐射热流照射到管式集热器上，本文中将通过蒙特卡洛法计算得到的管式太阳能集热器的入射热流密度场采用拟合函数法进行多段函数拟合，得到如式（2-22）所示的六个多项式函数。图2-4太阳能管式集热器的入射热流密度场分布图表2-3 不同位置的热流密度热流密度（W）汇聚光照射q=469687.5z+45307y0, 0z0.016mq=-1789444.4z+81453.1y0, 0.016mz0.0196mq=-4030789.5z+125383.5y0, 0.0196mz0.031mq=429y0, 0.031mz0.035mq=-469687.5z+45307y0, 0z-0.016mq=1789444.4z+81453.1y0, -0.016mz-0.0196mq=4030789.5z+125383.5y0, -0.0196mz-0.031mq=429y0, -0.031mz-0.035m热流密度（W）非汇聚光照射q=25714.29z+31.5y0, -0.035mz0q=-25714.29z+31.5y0, 0z0.035m在Fluent模拟过程中采用太阳加载模型加载太阳辐射热流，采用udf功能定义入射的热流。图2-3为入射热流的密度场分布图。本文将采用有限体积法对控制方程进行离散，并应用稳态隐式格式进行求解。采用SIMPLE算法处理压力和速度耦合问题，对流项的离散格式为QUICK。动量方程采用二阶迎风离散格式。固体壁面采用无滑移壁面边界条件。定义收敛条件为能量方程的残差绝对值小于10-6，并且其他变量的相对误差小于10-4。2.3 网格划分及无关性验证2.3.1 网格划分本文采用Ansys Workbench中提供的ICEM网格划分模块对管式太阳能集热器模型进行网格划分，如图2-6所示，网格划分过程中采用映射网格技术产生O型结构化六面体网格。考虑到在扰流柱群存在的区域几何分布不规则，如图2-7所示，在扰流区域采用四面体网格，同时考虑到管长相对于管径较大，在直管段采用结构网格划分，因此本文中的管式集热器网格划分采用结构网格与非结构网格公共面上节点融合的方式生成。并且模型在流体流动方向具有周期性，故采用周期性网格工具生成整体网格。计算域有流体区域和固体区域，边界条件在Fluent中设置。图2-5 结构网格与非结构网格融合示意图 图 2-6 O-型网格划分示意图2.3.2 网格无关性验证网格疏密对数值计算的结果影响很大，只有当网格数的增加对计算结果影响不大时，这是的数值模拟计算结果才具有意义。可以采用较为粗一些的网格,等有一些计算结果之后,不断地进行网格的局部细分,即网格自适应技术,这样可以两全了。直到认为网格疏密对计算结果影响不大。图2-7 热通量随着网格数量变化关系为了验证网格的无关性，在结构网格区域，在划分完成的块的基础上，对边划分不同的节点数，在自动体网格生成区域控制最大网格尺寸，可以得到不同数量的网格数。本文划分了7万，33万，49万，71万，150万，230万六种数量的网格。以整体流固耦合面平均热流密度和扰流区流固耦合面平均热流密度为评判标准。由图2-7可以看出，当网格的数量上升后，平均热流密度的变化幅度很小，当网格数量大于100万时，网格对于结果的影响可以忽略，同时考虑到本文数值模拟的计算量非常大，为节约计算时间本文将选择网格数量为100万左右进行计算。2.4 模型验证模型验证是数值模拟实验的重要部分，它用来检测模拟是否可靠。一般用相同工况下的实验数据和模拟数据进行对比分析。西班牙学者M.I.Roldn等人在Thermal analysis of solar receiver pipes with superheated steam文章中，以过热蒸汽为传热载体对管式集热器壁面温度分布进行了数值模拟与实验研究，本文将采用他们实验的初始条件进行数值模拟，并将模拟结果与其实验数据进行对比验证，表2-4所示为M.I.Roldn等人实验的初始条件18。表2-4 M.I.Roldn等人实验的初始条件18case压力MPa入口温度K辐射热流W/m2聚光比质量流量Kg/s16.0557.5838450.7326.0566.3766450.5136.1598.1761450.6246.0607.3635450.5556.0613.0627450.5666.0632.9635450.55 图2-8 不同算例时出口壁面最高温度 图2-9 不同算例时出口壁面最低温度由于管式集热器壁面温度分布对于换热情况的变化敏感，因此，采用出口壁面上的最高和最低温度作为模型验证的指标非常合理可靠。图2-8与图2-9所示为数值模拟结果与实验测量数据的对比曲线图，可以看出实验数据与模拟结果吻合良好，数据显示误差均小于2%。图2-10与图2-11所示分别为管式集热器出口截面上实验测量与数值模拟的温度云图，两张云图温度分布相似，因此，数值模拟的结果是可信的。图2-10 实验测量温度云图（算例6） 图2-11 数值模拟温度云图（算例6）2.5 本章小结本章提出了本文的研究内容与方法，主要工作有：（1）以对管式集热器的传热过程分析为基础，结合用户自定义函数，建立了太阳能管式集热器物理模型并对其进行网格划分及无关性验证。（2）分析了研究过程中所采用的湍流模型、辐射模型；介绍了本文数值模拟研究的边界条件以及udf编译。（3）对本文的模型与模拟方法进行了实验对比验证，实验数据与模拟结果对比，误差均小于2%，确保了本文模拟结果的可靠性。第3章 圆管式太阳能集热器流动与换热特性研究管式集热器是太阳能热动力发电系统中的最主要关键部件之一，管式集热器效率的高低与运行的可靠性，对整个系统有着重要的影响11-13。管式集热器是将太阳辐射能转化为导热油内能的重要部件，它的表面受到聚光系统汇聚后的太阳光照射并产生不均匀的热流，因此，管式集热器的温度分布也是高度不均匀的，不均匀的温度分布会引发管式集热器承受高的热应力并产生热变形最终引发玻璃管罩的破裂及管式集热器的弯曲并失效。本章基于上一章建立的太阳能集热器流动传热模型，将着重分析圆管式太阳能集热器的温度分布与换热特性的变化规律，探究耦合换热时的流动和换热特性。3.1 圆管式太阳能集热器换热特性研究图3-1 v=0.5m/s、T=300K时管式集热器壁面热流密度分布图（W） 图3-2 v=0.05m/s、T=300K时 图3-3 v=0.05m/s、T=300K时 管式集热器及内部流体温度分布图（K） 面平均温度随坐标变化图图3-4 v=0.05m/s、T=300K时 图3-5 v=0.5m/s、T=300K 管式集热器壁面温度分布(K) 管式集热器壁面温度分布(K)如图3-1所示为Re=21377时圆管式太阳能集热器壁面上的热流分布云图，我们可以看出，受到汇聚太阳光照射的表面热流可超40000W，而受到非汇聚太阳光照射的表面热流则处于4000W以下，整个管式集热器外周的热流密度分布高度不均匀。由图3-2和图3-3可以看出，由于换热工质沿流动方向不断被加热，管式集热器壁和流体温度沿流动方向不断升高，在出口截面处温度将达到最高值。图3-4和图3-5所示分别为Re=2138和Re=21377时管式集热器外壁面上的温度分布，可以看出，管式集热器壁面温度分布规律与热流分布相似，受到汇聚太阳光照射的壁面温度高于非汇聚太阳光照射的壁面温度。对比图3-4和图3-5，可以看出雷诺数越大，管式集热器壁面的温度分布就相对越均匀。管壁上最高温度与最低温度的差值可以反映热应力的变化情况，因为高的温度梯度会产生高的热应力。如图3-6所示为管壁最大温差随着雷诺数变化的关系。随着雷诺数的增加，管壁最大温差在逐渐下降，下降的趋势减缓，说明到达一定雷诺数时，雷诺数的对于温差的影响逐渐减弱，此时需要采取其他措施来降低管壁最大温差。图3-6 不同雷诺数下的管壁最大温差为具体量化研究雷诺数变化在增强换热方面的效果，本章定义一等效对流换热系数h： （3-1）式中 H管式集热器壁面与换热流体间的耦合换热量（W）； Tt-a管式集热器内壁面平均温度（K）； Tf-a换热流体平均温度（K）。相应地： （3-2）同时，换热元件的评价指标不仅仅是传热特性（Nu），同时还要考虑到它的阻力特性，阻力特性主要由范宁摩擦因子（f）来评判。 （3-3）式中 D特征长度； L管长； 平均密度； Tw壁面剪切应力； Ub平均速度； P进出口压力差。图3-7 不同雷诺数下的Nu和f图3-7为不同雷诺数下的努塞尔数（Nu）和范宁摩擦因子（f）。由图可以看出雷诺数的增加意味着流速的增加，流体的流速越高，流体的热边界层厚度越薄，壁面热阻越小、对流换热系数和努塞尔数越高，换热强度越高。努塞尔数增加的同时范宁摩擦因子在逐渐降低。根据上文的研究，结合雷诺数对圆管式太阳能管式集热器换热性能的影响，得出Nu与f的回归关联式为：在低雷诺数区和高雷诺数区采用不同的函数模型来拟合Nu1979Re9107： （3-4）9108Re17286： （3-5） （3-6）因而，增加流体的雷诺数能够有效地强化管式集热器与流体间的耦合换热，改善管式集热器的温度分布状况；但雷诺数的影响力度将会随着它的增加而不断减弱；而温度差是导致管式集热器上热应力产生的主要原因，因此，可以预测随着雷诺数的增加管式集热器上的因热应力而产生的热应变也会不断减小。3.2 圆管式太阳能集热器流动特性研究湍流动能有分量湍流动能和湍流总动能之分。湍流总动能随时间的变化体现湍流动能的净收支，是衡量湍流发展或衰退的指标。湍流扩散方差与分量湍流能量呈正比，是衡量湍流混合能力的重要指标。湍流动能（Turbulence Kinetic Energy)是湍流模型中最常见的物理量（k）之一。湍流动能越大，意味着流体的掺混越剧烈，流体的传质强度大，冷热流体的对流传热强度增强，因此换热强度也增大。 a)Re=11151时 b)Re=19332时 图3-8 Re=11151（a）和Re=19332（b）管内流体湍流动能分布由图3-8中我们可以看出，雷诺数大时，湍流动能也更大，在Fluent中Mass-Weighted Average Turbulent Kinetic Energy是指流体质量平均湍流动能，它的值和管内流体流速有关，从图3-9我们可以看出，管内流体流速越大，它的流体质量平均湍流动能越大，并且接近线性关系。图3-9 不同雷诺数下的TKE图3-10 不同TKE下的平均努塞尔数湍流动能不同时，管式集热器的换热情况不同，从图3-10我们可以看出，湍流动能越大，平均努塞尔数也越大，因为湍流动能大时，流体的掺混越剧烈，此时冷热流体互相传质强度提高，换热效果会增强，并且流体的热边界层厚度也会变薄，壁面热阻减小、对流换热系数和努塞尔数越高。3.3 本章小结本章对太阳能管式集热器上换热与流动特性进行数值模拟研究。分析模拟结果，结论如下：（1） 由于太阳能管式集热器表面接受的太阳能辐射热流密度的高度不均匀性，导致管式集热器上温度场分布同样高度不均匀，巨大的温度差将会导致管式集热器管壁上产生很大的热变形，降低系统的可靠性。（2）由于换热工质沿流动方向不断被加热，管式集热器壁和流体温度沿流动方向不断升高，在出口截面处温度将达到最高值。（3）通过改变管式集热器入口处换热流体的Re值，加大流动速度，以提高湍流度，减薄边界层，降低对流热阻；可以发现，增加流体的雷诺数能够有效地增加流体湍动，强化管式集热器与流体间的耦合换热，降低管式集热器上的温度差，改善管式集热器的温度分布状况；从流动角度来看，Re越大，管内流体的湍流动能也在增强，强化了冷热流体的掺混。因此增加流体Re能够有效提高耦合换热强度，均匀化管式集热器的温度场，降低管式集热器热应变，提高太阳能热发电系统的效率和寿命。第4章 内置扰流柱群管式太阳能集热器的流动与换热特性研究内插件管是强化管程单相流体传热的有效措施之一。各种插入物强化传热的机理是：利用插入物使流体产生径向流动，从而加强流体的混合，获得较高的对流传热系数。管内插入物的类型有很多，主要有：麻花铁、螺旋线圈、螺旋带、螺旋片、扭带和静态混合器等。各