填充泡沫金属的相变蓄热单元管的数值模拟

1、青 岛 科 技 大 学本 科 毕 业 设 计 （论 文）填充泡沫金属的相变蓄热单元管的数值模拟题 目 _指导教师_辅导教师_学生姓名_学生学号_热能与动力工程机电工程_院（部）_专业_班_年 _月 _日填充泡沫金属的相变蓄热单元管的数值模拟摘 要吸热蓄热器是空间站太阳能热动力发电系统(Space Solar Dynamic Power SystemSSDPS)的关键部件，其采用的蓄热方式是高温相变蓄热。高温相变蓄热大都选用氟盐作为相变材料，由于固液密度不同，PCM在相变过程中会产生空穴，这严重影响了蓄热容器的传热性能及结构可靠性。为改善氟盐PCM带来的不良影响，本文采用在PCM中填充泡沫金属的

2、措施，泡沫金属以其高导热、质轻、高比热等特点作为填充物，成为强化相变蓄热的有效手段。 本文以太阳能热动力发电系统地面模拟试验中采用的吸热蓄热器内部的相变蓄热单元管为研究对象，选择氟盐805LiF-195CaF2作为蓄热材料，钴基合金Haynesl88作为PCM容器及工质导管材料，并采用孔隙率为95的多孔泡沫镍来研究单元管内部的强化传热情况。 关键词：相变蓄热单元管；FLUENT软件； 泡沫金属：强化传热； 数值模拟Metal foam filling phase change thermal storage unit tube simulationABSTRACTHeat Receiver i

3、s the key component of the space solar dynamic power systems(Space Solar Dynamic Power System-SSDPS)，it adopts the method of high temperature phase change thermal storage，in which the molten salt is usually selected as PCMHowever, solid density of PCM is different from its liquid density, which will

4、 cause cavity in the phase change processThe cavity will seriously affect the heat transfer performance and structure reliability of heat storage containerTherefore，PCM is encapsulated in many containers and metal foam is embedded in PCM to reduce the adverse effects of PCMMetal foam，with its high t

5、hermal conductivity, light weight，high heat capacity and etc，is selected as a filling with PCM，and is becoming an effective way of strengthening the heat storage The paper takes the phase change thermal storage unit tube used in Solar Dynamic Power System ground test as the research objectThe molten

6、 salt LiFCaF2 is selected as thermal storage material in heat exchange tube，Co-based alloys Haynes 188 is selected as material of PCM container and working fluid tube，and the porous nickel foam of 95 porosity is selected to strengthen heat transfer.KEY WORDS: phase change thermal storage unit tube；F

7、LUENT software；metal foam；enhance heat transfer；numerical simulation目录前言21绪论31.1相变蓄热概述31.1.1相变蓄热的分类31.1.2蓄热材料41.2强化相变蓄热的方法41.2.1多孔介质51.2.2在相变材料中分散高导热颗粒51.2.3安置金属结构61.2.4添加具有高导热率、低密度的填充材料61.3 国内外研究进展61.4选题的目的及意义71.5本文主要研究内容82 相变蓄热理论及数值求解92.1相变传热的特点92.2相变传热问题的数学模型9221温度法模型9222焓法模型102.3相变传热的数值求解102.4利用

8、FLUENT模拟相变问题的基本理论112.4.1 FIUENT简介112.4.2 FLUENT求解相变问题的Solidification/Melting模型112.5 本章小结113 相变蓄热单元管的结构及选材133.1相变蓄热单元管的应用及结构133.1.1 相变蓄热单元管的应用133.1.2相变蓄热单元管结构143.2相变材料及封装容器材料的选择153.3 多孔泡沫金属基的选择163.3.1 泡沫金属的结构特征163.3.2泡沫金属基体的选择173.4本章小结184 物理及数学模型的建立和处理204.1物理模型的建立204.2利用FLUENT计算过程中参数的设置214.2.1网格划分并设置

9、边界类型214.2.2初始和边界条件234.2.2.1边界条件234.2.2.2初始条件244.2.3 FLUENT参数设置254.3本章小结305 数值模拟计算结果及分析315.1填充泡沫金属前后单元管的温度及液相率变化315.2温度场及液相率分布云图355.3 本章小结376 总结与展望39前言20世纪70年代以来，世界范围内普遍爆发了能源危机，如何节约现有资源或开发新能源已成为研究的焦点。蓄热技术的研究和应用也在此后得到不断发展，现已成为开发新能源、提高其利用率、协调在强度和时间上能量供求不匹配的关键技术1。在电力“移峰填谷”、太阳能利用、工业余热废热的回收利用、空调节能及民用建筑等领域

10、具有广阔的应用前景。蓄热技术由于能够解决热能的供给与需求在时间和空间上的不匹配，而成为合理利用能源、减轻环境污染的有效途径。相变蓄热由于具有蓄热密度大、蓄放热温度恒定、容易控制等优点，已成为热能利用的新热点。 由于相变过程中伴随有传导、对流现象，使得相变传热问题的求解复杂化，大多数情况下都借助于数值模拟。相变蓄热技术利用相变材料PCM (Phase Change Materials)发生相变时能量的吸收与释放来储存和释放能量，可以有效缓解能量供求双方在时间、地点、强度上的不匹配，是合理利用能源及减轻环境污染的有效途径，也是广义热能系统优化运行的重要手段。相变蓄热技术的应用一方面能二次利用工业废

11、热、余热，减少环境污染；另一方面，再次生成的热能可减少煤，石油等不可再生能源的消耗，不仅能够实现节能减排，还能够实现不可再生能源的替代使用。随着载人航天空间技术、工业加热系统的余热回收系统及高温工业炉蓄热室的不断发展，高温相变蓄热理论及其应用成为研究热点。同时材料科学、工程热物理、太阳能、工业余热利用及航天技术等各领域的相互渗透和高速发展，也为高温相变蓄热的进一步研究打下了基础。本文主要是对以太阳能热动力发电系统地面模拟试验中采用的吸热蓄热器内部的相变蓄热单元管进行研究。1 绪论1.1相变蓄热概述1.1.1相变蓄热的分类蓄热方式主要有显热蓄热、潜热蓄热和化学反应蓄热三种。显热蓄热是依靠温度升降

12、来存储热量。使用显热蓄热虽然简单方便，但由于蓄热材料蓄热密度较低，会使相应的系统体积庞大，而且其本身的温度在一直变化，故要达到控制温度的目的很难，因此它的应用价值空间有限。潜热蓄热也就是相变蓄热，是依靠物质在相变时吸、放热来储存或释放能量的；使用这种方式蓄热不仅具有储热能力强、蓄热密度大、装置体积小等特点，更重要的是蓄热过程温度恒定，方便控制和管理，所以受到广泛关注。化学反应蓄热是利用可逆化学反应通过热能与化学热的转换来进行蓄热。虽然该方式储能密度较大，但是使用不便且生产技术复杂，故不宜实际应用。三种方式中，潜热蓄热最具实际应用价值，也是目前应用最多和最重要的储能方式。此外，按照物质相变温度不

13、同，潜热蓄热又分为低温、中温、高温三种。通常物质的相变包括以下几种形式：固态气态、液态气态、固态液态及固态固态。由于前两种方式在相变中会产生大量气体，导致材料发生很大的体积变化，虽然它们具有较高的相变焓，但离实际应用尚且较远。固固相变及固液相变应用较广。对于固气相变，气态分子具有最大的运动自由度，而固态分子的运动自由度最小，因此，固气相变即升华和凝聚具有最大的相变潜热。 但由于相变过程中体积的巨大变化使系统庞大而复杂，因而完全无法应用。对于固液相变来说，具有以下特点：(1)材料的固液相变潜热远大于其显热，因此可以用较小的体积储存较多的热量；(2) 蓄放热过程可以在恒定温度下或者很小的温度范围内

14、进行；(3)固液相变过程中体积变化较小。基于以上三个特点，固液相变是实际应用得较多的相变蓄热方式。近年来，固固相变的研究和应用得到迅速发展。其主要优点是体积变化小，相变过程中不出现液态，可以减少对容器的要求，这些优点使得固固相变在相变蓄热领域得到越来越多的应用。1.1.2蓄热材料单纯盐混合盐金属碱石蜡脂肪酸类其他有机物化合物低工熔体化合物盐的水合物氢氧化物水合物包合物无机物有机物高温类蓄热材料低温类低工熔体高温类相变蓄热材料主要用于太阳能热动力发电等系统中的能量储存，蓄热成本高，可以达到较高的运行效率，设备相对紧凑，质量相对较轻，目前主要在航空航天领域应用；低温类相变蓄热材料主要应用于地面民用

15、领域，太阳能热利用以及建筑节能等领域对相变蓄热材料的需求使其具有广泛的应用前景。为保证热机正常工作，对其循环温度有一定的限制，所以SSDPS的吸热器必须选择高温潜热蓄热。高温相变材料通常包括氧化物、盐、金属、碱、混合盐及合金等五类。1.2强化相变蓄热的方法随着经济的发展和现有资源的耗竭，节能备受关注。研究的热点逐渐向如何使相变蓄热系统的热性能更加优越转变，而与相变蓄热系统的热性能密切相关的一个关键因素就是相变材料，固液相变储能装置有良好的恒温性以及巨大的相变潜热，能有效的解决短时、周期性大功率电子器件的散热问题，在国外航空、航天和微电子等系统上得到越来越广泛应用但是常用的相变材料普遍具有导热率

16、较低的缺点，难以满足现代高科技系统和装备上作业任务的要求。尽管相变材料自身具有蓄热过程温度近似常数、且储热密度大等优点，但其热导率却较低，在某些方面限制了它的使用。为弥补相变材料导热能力差的不足，一般采取将相变材料加入到孔隙率很高的多孔介质中、在相变材料中安置金属结构、将高导热颗粒分散在相变材料中以及添加具有低密度、高导热率的填充材料等措施，以增大系统的蓄、放热效率，强化相变蓄热装置热性能。1.2.1多孔介质多孔结构包括天然的多孔介质(如石墨)及加工制造而成的泡沫金属(如铝、铜、镍)等。泡沫金属是最近研制出的一种新型材料，其金属基体中均匀分布大量连通和不连通的孔洞的新型轻质多功能材料，因此该结

17、构具有密度小、孔隙率高、比表面积大等特点，将其作为填充材料运用到相变储能装置中以提高装置的整体热性能正越来越受到国内外研究人员的重视。由于大量金属材料的导热系数很高，因此，在PCM中加入高孔隙率的泡沫金属构成复合相变材料，在相变潜热和密度都变化不大的条件下，可使其等效导热系数迅速提高。目前，对于多孔泡沫金属基体的研究已经相当普遍。研究了在PCM中加入不同孔隙率和导热系数的多孔金属基体，对相变蓄热系统带来的影响情况。并对圆柱环的熔化过程进行了数值研究。结果表明，装置的强化程度与所用多孔介质的孔隙率和导热系数紧密相关。当圆柱环内采用单纯的PCM时，容器底部的熔化率低于容器顶部，这是因为在熔化过程中

18、，对流传热起着主导作用。而当圆柱环内填充高导热率的多孔泡沫金属时，容器底部的熔化率得到了显著提高。强化效果取决于多孔泡沫金属结构的孔隙率。虽然加入无论孔隙率是多少的泡沫金属都能提高PCM的熔化率，但是孔隙率的降低会导致强化效果的下降。尽管从理论上讲，较低的孔隙率会导致复合PCM具有较高的有效导热系数值，从而使装置的性能得以强化。然而，泡沫金属的较低的孔隙率阻碍了液相PCM的移动，从而影响了液相PCM内部的自然对流而降低装置性能。数值研究结果表明了较低孔隙率下的温度分布情况。由此得出结论，选用的多孔基质不仅应具有高导热性，还应具有尽可能高的孔隙率以达到最佳的强化传热性能。将各类蓄热材料与合适的基

19、体材料复合，强化蓄、放热过程的传热，并解决蓄热材料液相的泄漏和腐蚀问题，是储能材料研究的热点。崔海亭等2利用FLUENT模拟了将泡沫铝加入到石蜡中，对其传热情况的影响。结果表明，加入泡沫铝可提高储热效率，缩短相变时间，并使温度场分布更加均匀。程文龙等3以石蜡、铜和石蜡、铝复合材料作为研究对象，建立了其在凝固时的数学模型。在理论上对凝固时的传热情况进行了分析，提出了一种平衡传热性能和储能能力的措施。分析得到了外部换热环境对平衡孔隙率、传热性能和储能能力的影响。结果表明，当泡沫金属处于平衡孔隙率时，可在保证储能能力降低不多的前提下极大的提高其传热性能。1.2.2在相变材料中分散高导热颗粒虽然使用与

20、石墨复合的PCM的方法能有效地强化蓄热装置的性能，但是石墨复合物的制备工艺复杂，需要经过多种化学/物理过程，比如热处理、干燥、混合、磨碎、压缩等，消耗了大量的时间及能量。并且Elgafy和Lafdi4的研究报告指出，石墨的孔隙率是影响复合物复合效果的一个至关重要的因素。假如使用平均孔径小的石墨，会降低材料的潜热值。这是因为特别小的孔径会阻碍分子运动，从而导致很难将PCM加入到多孔介质中；另外，孔径的增加会减小毛细应力从而导致液相PCM泄露。而采用高传导率的金属颗粒就避免了这些缺点，因而在相变材料中分散高导热颗粒是强化PCM热导率的一种相对简单的技术方法。1.2.3安置金属结构在相变材料中安置金

21、属结构也是一种提高传热性能的方法。研究人员对内部填充石蜡的圆柱形蓄热器进行了研究。表明填充薄壁钢结构圆柱环后完全凝固时间是纯石蜡的1/9。填充纵向肋片后，凝固时间是不填时的1/4。但是添加的圆柱环结构占有率不能超过总体积的20%，肋片结构不能超过7%。此外强化效果还与添加的圆柱环的直径有关。另外，添加其他形状的金属结构也能提高PCM的传热效果。1.2.4添加具有高导热率、低密度的填充材料由于金属颗粒以及金属结构的密度较大，故这些结构会处于容器底部，也必然会导致蓄热系统重量的增加。而且，研究报告可知，并不是所有的余属颗粒都与所有的PCM兼容。比如石蜡与铝兼容，可与铜却不兼容。因而，科学家们研究了

22、一种高导热、低密度的添加剂(如碳纤维等)，它能与所有的PCM兼容。因碳纤维具有密度低于金属而导热率却和铝、铜等类似，还有很高的抗腐蚀性，与所有PCM兼容等有点，所以用碳纤维代替金属结构/颗粒等，将会更好的强化相变蓄热系统的热性能。研究人员深入研究了在PCM中加入碳纤维对提高其导热系数带来的影响。他们将碳纤维按两种不同方式添加到PCM中，选取一维导热模型对两种情况下的热导率进行了比较。第1种情况是采用碳纤维刷的形式，热流方向与纤维丝的方向一致；第2种情况是把碳纤维随意分布在PCM中。结果表明：通过加入碳纤维可在很大程度上提高PCM的有效导热系数，碳纤维刷方式可得到预测的最大理论值；当将石蜡作PC

23、M时，如果按随意放置碳纤维方式，3%(体积分数)的碳纤维可使石蜡的有效导热系数增大10倍，但只需1%的碳纤维刷，即能达到类似的强化效果。此外，研究人员还对加入碳纤维的管壳式换热器的强化进行了研究。研究表明，体系的传热效果随碳纤维直径及体积分数增大而加强，且存在最优值。综上所述，可知通过在PCM中添加高导热率、低密度的填充材料的方法可提高材料的强化效果。但加入添加剂，会降低材料的总储热能。因而需控制添加剂的质量/体积分数的最优比，以达到最优的强化传热效果。1.3 国内外研究进展目前，数值模拟相变蓄热系统一般依赖数值求解与半经验公式相结合的方式。纯数值模拟求解因为计算难度大，故研究较少，但具有较高

24、的借鉴价值。文献中提出的模型很多，但由于传热方式不同、系统结构不一、PCM的差异等使模型没有很高的通用性。以下列出几种相变蓄热系统的数值模拟分析概况。邢玉明等5选取焓法建立了单管相变蓄热模型，该模型以控制体单元为对象。并对系统进行了数值分析，分析了PCM容器平均温度、最高壁温和工质气体出口温度等参数随时间的变化，且与试验结果相符。Costa等6建立了二维矩形蓄/放热模型，通过对石蜡、锡和嫁这三种PCM的研究，提出了数值方法(SIMPLEC)，其在计算强关联方程时使用半经验公式，比较相关文献发现在有空穴的熔化区上部偏差很大。Costa认为造成理论值和实验值偏差较大的因素包括密度的变化、热惯性、系

25、统不稳定、热损失、假定热物性为常数等。崔海亭等7进行了组合式PCM吸热器热性能研究。建立了由3种不同相变温度的PCM形成的组合式PCM吸热器模型，以改善采用单一熔点的PCM容易出现问题的弊端，给出了数值求解方法，计算了换热管工质出口温度、换热管总PCM熔化率、最大温度等结果。并与单一PCM换热管吸热器进行比较，表明采用组合PCM换热管可显著提高吸热器性能，减少吸热器质量、减少工质温度波动。计算结果可用于指导吸热器的设计。 1.4选题的目的及意义吸热蓄热器（Heat Receiver-HR）是空间站太阳能热动力发电系统(Space Solar Dynamic Power System-SSDPS

26、)的关键部件高温蓄热器是其关键部件之一，因此，对高温蓄热器内核心部件蓄热单元管热性能的研究具有极其重要的意义。对于空间太阳能热动力发电系统的吸热器来说，由于受热机循环温度的限制，要求采用高温潜热蓄热，目前所见到的HR设计，均采用盐类PCM，主要是氟盐。采用盐类PCM 有3个优点：一是相变潜热高；二是相变温度和热机循环( 闭式布雷顿循环CBC) 的最高温度相适应；三是和金属容器材料的相容性较好。但它也有两个严重的缺点：一是由液相转变为固相时有较大的体积收缩，如LiF高达23%；二是热导率低。这两个缺点使热量不能很好的传递给工质，而较大的固液相密度差则使PCM在相变过程中发生很大的体积收缩或膨胀，

27、在PCM蓄热容器内产生热阻极大的空穴，严重恶化PCM容器内的传热，或对PCM容器内壁产生极大的挤压作用，造成日照期内出现“热斑”(hot spots) 和“热松脱”( thermal ratcheting ) 现象，使得容器壁面出现局部的过高压力和局部过高温度，并由于较大温度梯度而出现较大热应力。而且PCM 熔化/凝固交替进行,很容易导致容器材料的热疲劳破坏。当前研究应用最广的PCM 是LiF和以LiF 为主的80. 5LiF-19. 5CaF2 (摩尔百分比)。泡沫金属具有大比表面积和良好的流通性能，使得流体从泡沫金属中通过时有着极大的热交换面积，而且金属材料良好的导热性能使得温度更能均匀地

28、分布，因此泡沫金属是一种优良的强化传热材料。实验表明：高孔隙率的泡沫金属本身具有很高的导热系数，将其作为填充材料加入相变装置中后，在密度和单位体积的相变潜热都改变很小的情况下，可以使复合材料的等效导热系数大大提高，导热系数的提高增强了储能装置各个方向上的传热性能，提高了装置内的温度均匀性，使得热量能迅速被相变材料所吸收，显著改善了相变材料的储热效果，并缩短了相变时间，提高了储热效率8。1.5本文主要研究内容研究内容主要包括以下两个方面：(1) 选择空间太阳能相变蓄热单元管类型，选定相变材料，封装容器材料及多孔金属基体材料，确定蓄热单元管的结构参数；建立了相关的物理数学模型。 (2) 对填充与未

29、填充泡沫金属的相变蓄热单元管进行数值模拟计算，将蓄热器中的相变材料在未填充泡沫金属和填充泡沫金属两种情况下的相变蓄热单元管的数据结果进行比较，以说明采用强化传热措施在相变材料中填充泡沫金属后，相变蓄热单元管的热性能是否得到改善。 2 相变蓄热理论及数值求解2.1相变传热的特点相变传热问题的特点是在求解域中存在一个相变界面，该相变界面会随时间的变化而变化。在相交温度确定的情况下，对纯物质材料而言，该移动界面是明晰的。对非纯物质材料(如合金、石蜡等)，其熔化或凝固现象发生在一个温度范围内，移动界面是模糊的两相区。因为相变热传导这类的问题的发生会经常伴随着熔化、凝固等过程，所以处理这类导热问题与一般

30、的变系数问题相比要困难的很多，其主要困难即是在计算区域内存在一个随时间移动的两相界面，在该界面上吸收或放出相变潜热，因此，它又称为“移动边界问题”。该类问题又被称为斯蒂芬问题，是为纪念多年前曾对研究该问题做出显著贡献的科学家J.斯蒂芬。同时，还有其它诸如容器壁与相变材料之间热阻的不确定性、相变引起的体积变化、液相对流等因素，这些都使相变传热问题的求解变得非常困难。由于在数学上相变传热问题属于强非线性问题，不能使用解的迭加原理，所以目前仅对无限大区域或者少数一维半无限大区域，并且存在简单边界条件的理想化情形可以做到精确求解；对于求解有限区域相变问题时通常不能精确求解，少数能够近似分析求解；对于多

31、维相变传热问题，即便采用近似分析求解也很困难，因而通常只能选取数值分析方法加以解决。故数值方法是解决该类问题极其重要的途径。2.2相变传热问题的数学模型实际中，任何一种物理现象的数学描述都采用了近似的方法，相变导热问题也不例外。该类问题的控制方程用连续介质概念做基础，假设相变材料的每一相都是各向同性并且均匀的。相变导热问题的分析研究以所选的表征量不同通常可分为如下两类：温度法模型及焓法模型。221温度法模型温度法模型在固、液两相区及界面分别建立能量方程，将温度作为唯一变量。 其基本方程如下： 以导热为主的固相区域： （2-1） 以对流为主的液相区域： （2-2） 固-液界面区域： （2-3）边

32、界条件： （2-4） (2-5) (2-6)式中：、为固、液相密度，kgm3；T1、T2为固、液相温度，K；k1、k2为固、液相导热系数，W/(mK)；c1、c2为固、液相比热，J(kgK)；v为速度矢量，ms；S1、S2为固、液态源项；h为外部传热系数，W(mK)；q为外部热流密度，Wm2；为外部参考温度，K；为流体工质温度，K；为相变材料的相变潜热，J；t为时间，s。 222焓法模型 焓法是将焓和温度共同作为待求函数，无须分区建立控制方程，在包括固、液及两相界面的整个区域上建立一个统一的能量方程，依靠数值方法求解出热焓场分布情况。焓场解得出后，因为焓随时间的变化是连续的，从而很容易得到温度

33、场及固液移动界面。焓法模型以温度和焓作为因变量，其控制方程形式如下： 能量方程为： （2-7）在固、液相，温度和焓的关系可以表示为： （2-8） （2-9） （2-10）2.3相变传热的数值求解对于相变问题，求解方法可以分为解析法和数值方法。解析法包括精确分析法和近似分析法，数值方法由包括有限差分法、有限容积法、有限分析法及有限元法。只有在极少数情况下才能得到精确分析解，对于一般的相变问题，通常采用近似分析的方法。近似分析方法很多，主要有积分法、准稳态法、热阻法、逐次逼近法等。当近似分析法也无能为力时，解决相变问题最有效的方法就是数值解法。随着计算机技术的发展，数值求解方法也得到了越来越广泛的

34、应用以求解工程中实际的流动和换热问题。数值求解方法的基本思想是：把原来在空间与时间坐标中连续的物理量的场(如速度场，温度场，浓度场等)，用一系列有限个离散点(称为节点)上的值的集合来代替，通过一定的原则建立起这些离散点上变量值之间关系的代数方程(称为离散方程)，求解所建立起来的代数方程以获得所求解变量的近似值。只要节点分布的足够密，数值求解得到的结果就有足够的精度。2.4利用FLUENT模拟相变问题的基本理论2.4.1 FIUENT简介目前，FLUENT是处于世界领先地位的商业CFD(Computational Fluid Dynamics计算流体动力学)软件包之一，它适用范围广泛，功能强大。

35、FLUENT是一款用于分析和模拟复杂的几何区域中的流体传热与流动现象的专用软件。它可以支持多种网格，提供了灵活的网格特性。用户可自由选择采用结构化(Map)或者非结构化网格（Pave）来对复杂的几何区域进行划分，例如针对三维情况，支持四面体网格（Tetra Meshing）、三棱柱网格（Prism Meshing）、棱柱形网格（Pyramid Meshing）；针对二维情况，支持四边形网格（Quad）或三角形网格(Tri)；同时为了解决复杂外型的传热和流动问题也支持它们的混合形式(Quad/Tri)，另外为了优化网格，用户可以根据求解过程中求得的计算结果并采用FLUENT提供的网格自适应特性来

36、进行优化。必须指出的是，对二维情况，必须选中下方的Export 2-D(X-Y)Mesh选项，才能输出正确的网格文件。FLUENT软件一般包括前处理器、求解器和后处理器这三个主要功能部分。FLUENT的前处理软件采用GAMBIT，它可以读入多重CAE(Computer Aided Engineering计算机辅助工程)软件的网格模型和多种CAD(Computer Aided Design计算机辅助设计)软件制作的几何模型，来进行对象的网格生成和几何建模。CFD软件包的核心是求解器，通用求解器FLUENT6.3.26是基于非结构化网格的，支持并行计算，分双精度和单精度两种。在FLUENT中读入生

37、成的网格以后，剩下的操作包括选择计算模型、定义材料物理性质、设置操作条件及边界条件、执行求解、对计算结果进行后处理、根据计算结果优化网格等；FLUENT的后处理功能非常强大，有等值线图、云图、矢量图、XY散点图、剖面图、动画、粒子轨迹图等多种方式存储、显示和输出计算结果，这样可以更加有效地对计算结果进行分析和观察。 完成一个流体流动与传热问题的计算流程：首先利用GAMBIT或者其他前处理器完成模拟对象几何结构的建模以及计算网格的生成与划分，然后将网格导入到FLUENT求解计算，最后对计算结果进行处理和分析9。2.4.2 FLUENT求解相变问题的Solidification/Melting模型

38、FLUENT软件使用焓法模型处理关于凝固/熔化现象的流体流动和传热问题。利用FLUENT中的Solidification & Melting模块求解相变问题，其采用“焓一多孔度(enthalpyporosity)” 技术，采用该技术的好处是没必要跟踪相变界面的位置，在此引出了“液相率(Liquid Fraction)”的概念，它是指液相物质所占整个控制容积的体积比。2.5 本章小结本章简单介绍了相变传热的特点和理论基础，对相变传热过程进行了系统分析。详细叙述了相变蓄热的基本模型和几种数值求解方法，另外，还对目前广泛使用的CFD软件FLUENT及如何利用该软件的Solidificatio

39、n/Melting模型进行相变过程的数值模拟进行了详细的分析描述，为后续章节相变蓄热单元管的数值模拟奠定了基础。3 相变蓄热单元管的结构及选材3.1相变蓄热单元管的应用及结构3.1.1 相变蓄热单元管的应用随着航天事业的发展，SSDPS作为一种新型的空间发电系统，逐渐成为研究的焦点。基于太阳热源的周期性，SSDPS必须在阴影期和日照期这两种情况不断交替下工作，并能稳定发电。SSDPS主要由能量转化器、聚能器、辐射器和蓄热吸热器等四部分构成。如图3-1所示为该系统的吸热/蓄热器结构示意图。它主要由一个圆柱形状的吸热器构成，本文的研究对象是循环工质换热管，又称相变蓄热单元管均匀分布在圆柱腔内，换热

40、单元管上套装若干个分离的PCM容器，高温PCM封装于容器内。吸热器一端为石墨挡板，挡板中间是入射窗。两端分别为工质入口和出口总管。整个吸热器外面用多层保温材料绝热。其工作原理是：利用抛物线型的聚能器捕获太阳能热流，将其聚集到吸热/蓄热器的圆柱形空腔内，接着被吸收转换成热能，其中一部分热能传递给循环工质来驱动热机发电，另外一部分热量则被封装在多个小容器的PCM内加以储存。在轨道阴影期，PCM凝固放热来加热循环工质，以保证空间站处于阴影期时仍能连续稳定发电10。由聚能器捕获的太阳能入射热流在换热单元管轴向分布的不均匀性及工质导管内壁工质换热的不同决定了吸热腔各表面的温度分布也是不均匀的，需要通过吸

41、热腔的辐射热交换计算来确定换热管的实际轴向入射热流分布，进而得到整个吸热器的传热性能。图3-1 吸热蓄热器结构示意图Fig.3-1 Structure of heat receiver美国从20世纪60年代就开始了吸热蓄热器的研究，Garrett公司先后设计了3kW，10.5kW的空间热动力装置，试制了各主要部件，并对它们进行了大量的性能试验(TES-1，TES-2)。在1994年和1996年，分别在哥伦比亚号和奋进号航天飞机上进行了两次蓄热容器的搭载试验，以验证空间环境下相变蓄热材料的蓄放热性能以及与容器材料的相容性能。SSDPS对未来的空间探索有着至关重要的意义，它是一种先进的空间太阳能供

42、电方式。随着人类不断深入探索太空，例如探索火星、月球，甚至将来到太阳系以外的宇宙进行探索，甚至是建立永久空间站，如何解决电力需求成为关键。此外，这种先进的供电方式必将能够提供很好的解决方案以缓解地面的能源危机。3.1.2相变蓄热单元管结构包覆换热管的相变材料容器可采用两种结构形式：(1)同心套管形式。套管的环形空间由径向翅片分隔，每个翅片上开两个孔。制造时先将翅片焊在内管上，再套上外套管，从端部充灌PCM后密封。翅片既能强化传热，又能改善空穴分布，防止出现热松脱。(2)单个独立的相变材料容器分别套装在工质导管上，容器与气管的交界面用钎焊连接以减少接触热阻。由于采用一个个孤立的小室实现PCM充分

43、间隔化，可以控制空穴分布，增加热耦合，解决热松脱问题，同时可靠性较高，局部损坏对整个吸热器的换热能力影响较小。缺点是容器制造和PCM充装工艺复杂。第一种结构形式虽加工方便，充装PCM也容易，但各小室相通，间隔化较差。一旦某根换热管出现问题，对整个吸热器性能影响较大。总的来说，PCM容器设计是一个尚未完全解决的问题。优点：加工方便，填充相变材料也容易缺点：相变容器相通的，相变过程引起的体积变化较大，间隔化较差。缺点：加工复杂，填充相变材料比较困难优点：可控制在相变过程中空穴的分布，解决热松脱，增加热耦合，可靠性较高单个独立的相变材料容器分别套装在工质导管同心套管式换热管的结构本课题中PCM容器结

44、构选用后者，即采用一个个独立的容器形式。采取这样的设计有以下优势：(1)每个小容器被单独密封，PCM容器间隔化较好，空穴的径向运动得到限制，“热松脱"现象得到控制。(2)降低了径向热阻。容器内外环间隙小，且两个侧壁可以强化导热。空穴得到控制，“热斑”温度由于较好的热耦合可得到降低，“热斑”的形成环境得到改善。(3)相邻小容器侧壁间存在间隙，容器的应力状态得到了改善。(4)因为采用完全密封的小容器，所以少量容器的破坏就整个循环工况而言不会造成很大影响，增强了可靠性。3.2相变材料及封装容器材料的选择高温类相变蓄热材料主要用于太阳能热动力发电等系统中的能量储存，蓄热成本高，可以达到较高的

45、运行效率，设备相对紧凑，质量相对较轻，目前主要在航空航天领域应用；低温类相变蓄热材料主要应用于地面民用领域,太阳能热利用以及建筑节能等领域对相变蓄热材料的需求使其具有广泛的应用前景。为保证热机正常工作，对其循环温度有一定的限制，所以SSDPS的吸热器必须选择高温潜热蓄热。高温相变材料通常包括氧化物、盐、金属、碱、混合盐及合金等五类。本研究主要从实际应用角度考虑，利用熔融盐的混合达到调整相变温度的目的。目前所见到的吸热蓄热器（Heat Receiver-HR）设计，都选取氟盐作为PCM。原因如下：一是和金属容器材料的相容性较好；二是相变温度和热机循环的最高温度相适应；三是相变潜热高。相变材料的选

46、择一般遵循以下原则：(1)合适的导热性能(导热系数一般宜大)；(2)相变潜热大、相变温度适宜(500K-1500K)；(3)相变过程必须可逆，无过冷，性能稳定；(4)相变过程无熔析，不会致使PCM化学成分变化；(5)在高温下不腐蚀基体材料，即与基体材料兼容性好；(6)无毒、对人体无腐蚀；(7)化学稳定性好；(8)原料易购、价格便宜；(9)高温下蒸气压低且体积膨胀率小。(1)-(2)是热性能的要求，(3)-(7)是化学性能的要求，(8)是经济性能的要求，(9)是物理性能的要求。根据应用场合的不同，美国自由号空间站的吸热蓄热器选用80.5LiF-19.5CaF2作为蓄热介质，它的相变温度为1040

47、K，相变潜热为790kJ/kg。仿照其设计，本文也选择80.5LiF-19.5CaF2作为蓄热材料。因为首先氟盐的相变潜热大；其次通过控制不同熔点氟盐的混合配比，可使蓄热介质具有不同的相变温度，这样可以满足SSDPS的工质循环温度在一定范围内的需求；此外，容器材料采用钴基Haynesl88，它与氟盐的相容性也很好。20世纪80年代美国Garrett公司改用钴基合金Haynesl88应用在40kW和25kW方案中，实验结果表明，它与本文所选的蓄热材料氟盐有良好的相容性。洛克韦尔公司完成的热循环实验结果表明，氟盐对Haynesl88的腐蚀率为0.01 mm/a，故容器材料选用钴基合金Haynesl

48、88。3.3 多孔泡沫金属基的选择3.3.1 泡沫金属的结构特征泡沫金属是近几十年发展起来的一种兼具结构和功能双重属性的新型功能材料。常见泡沫金属结构如图3-2所示，可分为开孔体如图a)和闭孔体如图b)两种形式。前者具有连续贯通的三维多孔结构，流体可以从中间流过；后者内部气孔相互独立，并且每个气孔都是封闭的。表征泡沫金属微观结构的主要特征参数有：相对密度、孔隙率、孔密度、体积分数、孔径和孔径分布等。一般来说，多孔泡沫金属具有以下结构特征：(1)孔径范围较大，大小通常在0.1-10mm之间；(2)孔隙率较高，大小随其种类不同在40%-98%之间变化；(3)密度较低，多孔泡沫金属的密度随孔隙率的提

49、高而降低，通常是同体积金属的3/5-1/50；(4)比表面积大，可达500-10000 m2/m3。 a)开孔泡沫镍多孔材料 b)闭孔泡沫铝材料 a)Open-cell Ni foam b)Closed-cell Al foam图3-2泡沫金属微观结构Fig.3-2 Microstructure of metal foam3.3.2泡沫金属基体的选择泡沫金属或金属多孔材料，实际上是金属与气体的复合材料，正是由于这种特殊结构，使之既有金属的特性又有气泡特性。泡沫金属材料具备了多方面的特殊性能，既可作为许多场合的功能材料，也可作为某些场合的结构材料。而一般情况下它兼有功能和结构双重作用，是一种性能

50、优异的多用途工程材料。在国内外一般工业领域及高科技领域都得到了越来越广泛的应用并呈现出广阔的应用前景。文献 8可知泡沫金属作为填充材料时，导热能力随孔隙率的增加而减小，其有效导热系数在翅片串联和并联两种情况之间，添加了泡沫金属后，有效导热能力得到了极大的改善，其效果接近于翅片并联的情况；在相变储热装置中使用泡沫金属，由于泡沫金属的循环六面体结构，在任意方向其有效导热能力均相同，且导热系数相对于相变材料本身而言也有较大程度的提高，所以泡沫金属作为填充材料，能大大增强相变储能装置的传热性能，提高装置内的温度均匀性和相变材料的使用效率，改善储能装置的整体热性能。故采用泡沫金属来强化传热。选择泡沫金属

51、基体材料一般原则是在一定的相变温度范围时仍具有很好的力学性能及化学稳定性，同时与相变材料具有良好的化学相容性和物理相容性。由于大多数金属材料本身都具有非常高的导热系数，因此，以高孔隙率泡沫金属材料为骨架，在其中填充相应的相变材料所制成的复合相变材料，在密度和单位体积的相变潜热都改变很小的情况下，可以使复合材料的等效导热系数大大提高。表3-1为六种金属基单质的热物性参数。根据本文蓄热单元管PCM相变温度要求700左右，并从生产工艺的完善程度等角度考虑，镍的熔点较高，在高温环境下不会熔化，且具有良好的导热性，因此，选择镍作相变材料的基体。表3-1 各种金属基单质的热物性参数Tab.3-1 Func

52、tion of common discrete form基本单质熔点（0C）溶解热（kcal/kg）Al66095Mg65088Cu108477Ti88266Fe91183Ni145572图3-3为泡沫金属镍(Ni)，面密度为420士30g/m2，厚度为2mm，孔隙率为95%。采用多孔金属镍与高温相变材料为原料来制取新型高性能复合蓄热材料，因为相变材料相变温度相对稳定、储能密度较高，镍导热系数较高等优点，使得其同时拥有了潜热材料和固体显热材料的优点，同时消除了潜热相变时两相界面上传热效果较差和显热蓄热量较小及较难将放热和吸热保持在一定的温度下进行等缺点。图3-3泡沫金属镍Fig.3-3 Met

53、al foam of Ni综上所述：本文选择氟盐作为相变蓄热单元管的蓄热材料，并采用孔隙率为95%的多孔泡沫金属镍来强化单元管内的相变传热效果。本文首先对单纯相变材料的蓄热单元管进行数值计算，然后对填充泡沫镍金属之后的复合相变蓄热管进行计算，并分析复合结构的强化传热效果。具体将在本文的以下章节进行详细介绍。3.4本章小结本章从介绍相变蓄热单元管的应用背景出发，从而引出了相变蓄热单元管的结构。本文采用单个独立的相变材料容器分别套装在工质导管上的结构形式，由于采用一个个孤立的小室实现PCM充分间隔化，可削弱空穴分布，增加热耦合，解决热松脱问题，可靠性较高；此外还详细介绍了相变材料及其封装容器和多孔

54、泡沫金属基体的选择情况，从相变蓄热单元管的应用背景考虑，本文选取氟盐80.5LiF-19.5CaF2作为蓄热材料，选用钴基合金Haynesl88作为PCM容器及工质导管材料，并采用孔隙率为95%的多孔泡沫镍来研究单元管内部的强化传热情况。4 物理及数学模型的建立和处理4.1物理模型的建立通常，对定质量的PCM而言，因为物质在固、液两相时密度不同，PCM在相变时密度变化从而引起体积变化，导致蓄热容器内PCM占据的容积以外的剩余容积增大或缩小。它会相应的引起热阻的变化，进而影响相变传热的进行。由于PCM发生相变时体积变化，PCM容器内总有一定比例的空穴存在。对于80.5LiF-19.5CaF2而言

55、，空穴占PCM容器体积百分比处于8%一22%之间。空穴在很大程度上影响了相变过程，不能简单的加以忽略，因此必须考虑空穴。由于时间及能力限制，本文在计算过程中没有考虑空穴传热所带来的影响，因此得出结果与真实实验值会有一定出入。本文所研究的高温相变蓄热单元管如图4-1所示。8个PCM容器钎焊套装于一根22×2mm的工质导管上；换热管尺寸如图4-3所示，整个换热管外径45.2mm；其PCM容器尺寸如下：外壁外径为45.2mm，厚度为1mm，内壁内径为22mm，壁厚2mm，两侧壁厚度1mm，容器轴向长度25.4mm，工质导管外径为22mm，厚2mm。图4-2所示为单元管的局部简化示意图，该图为单元管沿轴向纵切面的一半，因为流场沿工质管中心轴为对称分布，故只需计算其中一半即可，以便节约计算时间，提高计算效率。图4-1模拟用蓄热单元管Fig.4-1 Numerical receiver tube图4-2换热管简化模型Fig.4-2 Schematic of heat tube图4-3换热管Fig.4-3 Size of heat tubePC