翅片管外相变材料熔化过程的数值模拟

作者:宋新南;柯彬彬;耿亚峰;朱秋烨; 刊名:江苏大学学报(自然科学版) 上传者:陈蟊欣

【摘要】相变材料的低导热性阻碍了相变蓄热设备的传热过程。采用翅片管是目前提升相变蓄热器传热速率的主要方法。使用Fluent软件中的Solidification/Melting模型对翅片管外相变材料熔化过程进行数值模拟,得到固-液相界面随时间的变化。通过改变翅片的厚度、翅片间距等参数,分析了不同的翅片参数对熔化时间的影响。结果表明:翅片的导热系数对蓄热时间影响较小;在一定范围内增加翅片的厚度可以强化相变储热过程,之后继续加厚翅片对蓄热时间影响不大;翅片间距对蓄热时间影响显著,缩小间距能大幅度缩短蓄热时间。

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引文格式:宋新南,柯彬彬,耿亚峰,等.翅片管外相变材料熔化过程的数值模拟[J].江苏大学学报(自然科学版),2017,38(1):37-41.相变材料(phasechangematerial,PCM)在发生相变时,伴有较大能量的释放或吸收,可对间断性、不稳定性的热量进行充分的利用,在太阳能利用、工业余热回收、空调和建筑材料等领域中相变材料具有广大的应用前景[1-5],利用PCM作为蓄热材料的蓄热设备具有许多优点,首先能保证蓄热设备蓄热和放热过程的温度恒定,有利于设备的操作和运行.其次,与显热蓄热相比潜热蓄热具有更高的能量密度,其蓄热设备的体积小.与化学反应热蓄热相比,潜热蓄热的蓄热设备简单,容易操作.最后,由于相变材料发生固-液相变的过程中密度变化小,设备体积小,能够长期储存热能.然而大部分相变材料的导热系数很低,导致蓄热设备换热效率低,响应速度比较慢,阻碍了使用相变材料的潜热蓄热设备的应用.因此提高潜热蓄热设备的换热效率,成为该领域的热门课题.目前,已经有大量关于强化石蜡等蓄热材料内部换热的研究[6-9].文中对翅片管外相变材料熔化过程进行数值模拟,分析翅片参数对相变材料熔化过程的影响,为相变蓄热设备的设计提参考.1物理及数学模型1.1物理模型翅片管单元模型如图1所示,在该模型中PCM填充在翅片之间,传热管内的传热流体(HTF)通过管壁和翅片与PCM进行热量交换,完成熔化和凝固的过程.PCM在熔化的过程中,液相区域在竖直方向上会因为自然对流产生循环流动.显然,圆管上侧和下侧的PCM的熔化速度以及固-液相界面会有明显的区别,所以对翅片进行三维建模,根据系统的对称性,只对虚线之间的区域作为计算区域.图2为翅片管计算区域,翅片的厚度为,长度为H(为定值),水平间距为D,相邻2个翅片间充满PCM.PCM的初始时刻温度为Tini,低于相变温度Tm,即初始时刻相变材料全部为固相.上端面为绝热边界,左、右端面为对称边界,管壁为定温边界件,温度为Th.相变材料为石蜡,翅片板材料为铝,物性参数见表1.图1翅片管单元模型图图2计算区域表1热物性参数物性石蜡铝密度/(kgm-3)7802700导热系数/(W(mK)-1)0.25200比热容/(J(kgK)-1)2100900相变温度/54相变潜热/(kJkg-1)1701.2数学模型为建立系统的数学模型,假定液态相变材料的流动为非稳态、层流、不可压流动,液相相变材料为Newton流体,并且服从Fourier导热定律.文中使用Fluent软件中的Solidification/Melting模型来模拟各个工况,基于以上假设和多孔介质的传热传质理论,由温度梯度引起的浮升力计算引入Boussines假设,除计算浮升力时密度随温度变化,其余情况相变材料的物性参数不变.温度场的求解采用焓法,建立固相和液相统一的能量方程,系统的控制方程如下.连续性方程:divU=0;(1)动量方程:Ut+(Ugrad)U=div(gradU)-1gradP+S;(2)能量方程:(H)t+(UH)=(T),(3)式中:U为PCM液相区的流体速度;为PCM的密度;为动力黏度;P为压力;为导热系数.总的焓值H的方程为H=h+H,(4)h=href+TTrefCpdT,(5)式中:H为潜热,这个值随PCM固-液相变的过程变化,固态时H=0,液态时H=L,这里L为PCM的潜热.因此,引进液体百分数,它的定义如下:=HL=0,TTs,HL=1,TTl,HL=T-TsTl-Ts,Ts<T<Tl?.(6)式(2)中S为源项,它的定义如下:S=C(1-)23U,

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