第一章緒論社會的發(fā)展和人類正常的生活水平都直接或間接受能源危機的影響。在我國可持續(xù)發(fā)展的國情下，能源問題以及上升到關(guān)乎與國家發(fā)展及國家地位的重要問題了[1]。所以合理的開發(fā)并利用能源就變得非常的重要，尤其是太陽能的利用。太陽能的聚熱、儲熱到放熱的使用過程中儲熱占到了非常重要的地位，能夠?qū)δ芰康墓┬枨箨P(guān)系進行有效的緩解[2]。1.1課題背景及研究的意義能源[3]是大自然賜予我們的寶貴財富。它以各種形式存在于我們周圍，通過工業(yè)生產(chǎn)和加工成為我們?nèi)粘Ｉ钪械母鞣N必需材料。人類社會的發(fā)展實際上就是能源開發(fā)利用的過程。從化石能源的誕生到新能源的開發(fā)，人類社會的發(fā)展與能源的發(fā)展息息相關(guān)。傳統(tǒng)能源的不合理利用和急劇短缺直接制約人類的生存和發(fā)展。所以從我國可的持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略的角度來看，合理并高效的利用傳統(tǒng)能源和開發(fā)新型能源顯得由為關(guān)鍵。如今有風(fēng)能、太陽能和地?zé)崮艿刃滦湍茉匆驯容^普遍的使用了，而其中太陽能是清潔能源利用的主力軍，因為太陽能具有覆蓋面積廣，環(huán)保和利用簡潔等優(yōu)點。光熱利用和光電利用是太陽能主要利用方式。這兩種利用方式其原理都是利用太陽能發(fā)熱，其中光電利用是將太陽能聚集的熱量用于發(fā)電然后再供居民使用，而光熱利用則是將太陽能聚集的熱量直接用與供暖、海湖淡化等方面。在光電利用中，因為天氣不確定行和晝夜的變化，太陽能會有間斷性這也是太陽能的主要缺點之一，這會導(dǎo)致太陽能發(fā)的電在并網(wǎng)的過程中不穩(wěn)定，乃至還會影響原來的電力系統(tǒng)。在光熱利用中，首先是使用太陽能聚熱裝置將太陽能集聚起來，然后通過傳熱介質(zhì)將集聚起來的熱量傳輸?shù)絻峤橘|(zhì)中，等需要使用能量的時候再將儲熱介質(zhì)中的熱量釋放出來。因此光熱利用可以有效的緩解太陽能不間斷性這一主要缺點，并改善了供求之間的矛盾。在許多實際的工程中，蓄熱系統(tǒng)也有很豐富的應(yīng)用，比如回收工業(yè)余熱，空調(diào)的供暖系統(tǒng)，這些都可以有效的緩解電網(wǎng)的負(fù)荷。顯然，蓄熱裝置在整個太陽能的光熱利用過程中是不可或缺的一部分。1.2國內(nèi)外研究現(xiàn)狀1.2.1相變材料的分類相變蓄熱材料是相變蓄熱的主要部分。相變儲熱材料按其相變方式可分為固-固相變儲熱材料和固-液相變儲熱材料，按其化學(xué)性質(zhì)可分為有機相變儲熱材料和無機相變儲熱材料，按所需溫度可分為高溫儲熱材料和中低溫儲熱材料[4]。圖1.1為相變蓄熱材料分類圖。圖1.1相變蓄熱材料分類圖1.2.2國外相變材料的研究現(xiàn)狀相變儲能技術(shù)的基礎(chǔ)就是相變蓄熱材料，相變材料儲熱密度大、放熱效率高、吸放熱過程溫度較恒定?，F(xiàn)在應(yīng)用研究前景廣，研究重點已經(jīng)放在探索出蓄熱性能強且性價比高的相變材料上。在相變儲能技術(shù)的研究領(lǐng)域，歐美國家較我國研究較早，在相變材料的物性研究、儲熱應(yīng)用等方面的研究要略領(lǐng)先我國。RajatSaxena[5]為減少冷負(fù)荷，他將建筑磚塊與相變材料進行了結(jié)合。將單層和雙層的PCM磚與傳統(tǒng)的磚進行對比試驗研究，通過數(shù)值研究的方法發(fā)現(xiàn)單層和雙層的PCM磚的溫度可以平均降低4~9.5℃，傳熱量減少了40%~60%相變材料與夜間通風(fēng)相結(jié)合被認(rèn)為是一種很有前景的冷卻策略。JiangLiu[6]等人以某無空調(diào)辦公樓為例，探究相變材料與夜間通風(fēng)結(jié)合使用在中國西部10個城市過渡期和炎熱季節(jié)的適宜性。通過數(shù)值模擬方法，確定相變材料與夜間通風(fēng)結(jié)合在炎熱季節(jié)的最佳相變溫度和冷卻潛力。結(jié)果表明，中國西部這10個城市的最佳相變溫度為25℃左右，相變材料與夜間通風(fēng)結(jié)合適用于所有城市，并且比在過渡性季節(jié)單獨使用夜間通風(fēng)技術(shù)會更舒適。ChuanfeiShen[7]等人研究出一種簡便有效用來制備水合鹽/石蠟復(fù)合相變材料的方法，采用反相乳液模板法制備了水化鹽/石蠟復(fù)合相變材料(PCM)，并將水化鹽與石蠟混合制備了高性能混凝土。將高性能混凝土浸泡在纖維素海綿中，材料具有良好的熱穩(wěn)定性、高儲能密度和低過冷度、相變燴為227.3J/g，對探究高儲熱密度、高吸放熱效率的儲能材料提供了新的理論方法。ZhiyongLiu[8]等人用模板法來制備四氯化錫與聚丙烯酸鈉混合的多孔炭材料。然后用該混合多孔碳作為載體材料，以石蠟為相變材料制備了多孔炭形狀的石蠟相變材料。通過電鏡掃描、傅立葉變換紅外光譜、激光拉曼光譜、X射線衍射分析表明多孔炭結(jié)構(gòu)對相變材料石蠟具有吸附作用，而且提升了其化學(xué)穩(wěn)定性。1.2.3國內(nèi)相變材料的研究現(xiàn)狀我國在相變儲能技術(shù)方面的研究起步較晚，但發(fā)展極為迅速，尤其近幾年，有很多十分顯著的研究成果。雷永康、田琦、武斌[9]用相變溫度為64℃的石蠟做相變材料，用膨脹石墨作為載體制備成復(fù)合相變材料，用數(shù)值研究的方法研究其傳熱性能。數(shù)據(jù)結(jié)果表明:添加質(zhì)量分?jǐn)?shù)為3%的膨脹石墨可以有效地提高相變材料的導(dǎo)熱效率。為了探討相變材料在散熱器中的應(yīng)用效果，在相變儲熱水箱中加入該比例的復(fù)合相變材料，發(fā)現(xiàn)相變儲熱時間減少了一半，相變潛熱達到203.1J/g。胡榮榮、李鳳艷、趙天波[10]利用懸浮聚合法，以甲基丙烯酸甲酯、甲基丙烯酸和石蠟為原料，在50℃的條件下制備了相變微膠囊，用差示掃描量熱儀研究了微膠囊的結(jié)構(gòu)和熱穩(wěn)定性。結(jié)果表明，當(dāng)甲基丙烯酸的含量為90%、乳化劑含量為5%、芯壁比為2:1時，聚合5h后可制得形狀良好的相變微膠囊，相變潛熱達到112.95J/g。黃莉[11]以低溫石蠟和水為相變儲熱液制備相變?nèi)橐?，探究了石蠟、成核劑和表面活性劑含量對相變?nèi)橐簾嵝阅艿挠绊懀l(fā)現(xiàn)所制備的相變?nèi)橐旱膬崮芰κ撬?~6倍，過冷度小于2K，熱穩(wěn)定性好。蔡莞晨，楊文彬，張凱[12]等人通過Fluent軟件進行數(shù)值模擬，然后與實驗數(shù)據(jù)對比探究石蠟的熔化特性。結(jié)果表明，網(wǎng)格密度對熔化過程的模擬影響不大。此外，將熔煉過程分為兩個階段，不同位置的溫度場曲線與實驗對比有不同的一致性。在相變儲能技術(shù)的研究中，相變材料的探索與研究方面，許多專家和學(xué)者己經(jīng)針對其進行了很多實驗、數(shù)值模擬和軟件模擬。因石蠟具有熱物性好、價格低廉、方便獲得等優(yōu)點，本文選用石蠟為相變材料作為研究對象。1.3相變蓄熱換熱裝置的研究現(xiàn)狀1.3.1國外相變蓄熱換熱裝置的研究現(xiàn)狀QiLi[13]等人介紹了適用于200~1000℃高溫應(yīng)用的熔鹽相變材料的研究現(xiàn)狀，對熔鹽作相變材料的管殼式相變儲能換熱器的傳熱效率進行了研究，提出了提高相變材料傳熱性能和優(yōu)化管殼式換熱器的技術(shù)方法。Guo-HuaShi[14]等人研究利用太陽能輔助熱泵(DX-SAHPV)的LPG氣化系統(tǒng)的相變儲熱裝置，選擇石蠟PCM作為相變材料，最佳半徑為60mm，利用Fluent軟件對相變儲熱器的結(jié)構(gòu)進行了數(shù)值模擬。分析儲熱過程和釋放過程中的相變速率和相應(yīng)的溫度分布，并且進行經(jīng)濟分析，探究相變儲熱裝置的最佳蓄熱量。MiroslawZukowski[15]主要研究分析密封石蠟在通風(fēng)管道中的傳熱和傳質(zhì)過程，得出了一個數(shù)學(xué)模型及其數(shù)值解。對于各種工況條件范圍，提出了一種新方法來近似估算PCM的比熱隨溫度變化的函數(shù)關(guān)系。采用控制體積有限差分法，求解了三維瞬態(tài)熱分析方程組及其相應(yīng)的邊界條件和初始條件，最終得到的凝固/熔化過程的理論模擬結(jié)果與物理實際趨于一致。ShatikianV[16]等人利用Fluent軟件對水平板相變換熱器的傳熱特性進行了數(shù)值模擬，建立了二維和三維模型，建立了三種不同間距的板型，引入了無量綱準(zhǔn)則數(shù)，并對水平板換熱器的溫度場和流場進行了分析，結(jié)果表明，水平板換熱器的傅里葉數(shù)和斯蒂芬數(shù)對換熱器的換熱數(shù)和熔化率有很大的影響，在間距較大的翅片模型中，自然對流起著更重要的作用。1.3.2國內(nèi)相變蓄熱換熱裝置的研究現(xiàn)狀王巍巍[17]用數(shù)值模擬的方法研究了管殼式換熱器儲熱單元的吸放熱過程的傳熱特征，并驗證了傳熱流體的入口溫度，入口流量對吸放熱過程的傳熱特征參數(shù)影響較大。李偉[18]等人對槽型內(nèi)水平圓管外相變蓄熱過程進行了數(shù)值模擬，并且比較了實驗數(shù)據(jù)，驗證了數(shù)學(xué)模型的可靠性。徐偉強[19]對微重力條件下相變蓄熱過程進行了數(shù)值模擬，并根據(jù)模擬結(jié)果建立了較為真實的空穴分布模型。曾艷[20]等人將自然對流傳熱系數(shù)加在固-液相變儲熱的數(shù)學(xué)模型中，并進行了數(shù)值模擬，與實驗測得的溫度場進行了比較，證明了自然對流在相變蓄熱過程中的作用不可忽視。吳志根[21]等人進行不同材料與儲熱系統(tǒng)結(jié)合的實驗，證明了金屬泡沫和膨脹石墨對相變儲熱系統(tǒng)可以起到優(yōu)化換熱的效果。楊鶯[22]等人制作了一套專門研究傳熱效率的裝置，分析了不同參數(shù)及不同的相變材料的吸放熱效率。劉馨[23]等人將蓄熱墻體與太陽能空氣集熱器進行了結(jié)合，然后對其實驗研究，發(fā)現(xiàn)將兩者結(jié)合可以達到節(jié)能的效果。國內(nèi)外對于管殼式相變儲能換熱器的研究主要局限于簡單的裝置模擬或二維數(shù)值模擬分析，在一定程度上，結(jié)論具有局限性和準(zhǔn)確性。將相變儲能技術(shù)和管殼式蓄熱換熱裝置結(jié)合，建立管殼式相變儲熱換熱裝置的三維數(shù)值模型，采用六面體結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格劃分，會使仿真結(jié)果更精確。1.4本文主要研究的內(nèi)容本文主要對殼管式相變蓄能換熱器儲熱單元在考慮傳熱流體流動與管壁傳熱性能的情況下，將傳熱流體和相變材料的導(dǎo)熱進行了耦合計算，建立了三維非穩(wěn)態(tài)的殼管式相變蓄能換熱器儲熱單元的數(shù)值模型。研究了傳熱流體的不同入口溫度和不同的入口流速，對殼管式相變蓄能換熱器性能參數(shù)的影響。本文以殼管式相變蓄能換熱器儲熱單元為研究對象，具體的內(nèi)容如下:綜合運用ANSYSWorkbench平臺，構(gòu)建殼管式相變蓄能換熱器儲熱單元的幾何模型并進行網(wǎng)格建立使用Fluent流場分析軟件，設(shè)定初始值及邊界條件后，對相變儲能換熱器儲熱單元在儲熱過程中的計算利用Fluent軟件，模擬管殼式蓄能換熱裝置在儲熱過程中的溫度場、流速場和液相界面變化規(guī)律，探究其相變儲熱換熱性能，為優(yōu)化相變儲熱換熱裝置提供理論參考和依據(jù)。相變儲能原理及Fluent簡介2.1相變原理相變儲能是一種利用相變材料（PhaseChangeMaterial,PCM）儲熱特性,來儲存或者是釋放其中的熱量的一種儲能方法，其可以一定的調(diào)節(jié)和控制相變材料周圍環(huán)境的熱量，從而改變能量使用的時空分布,提高能源的使用效率[24]。2.1.1相變儲能的工作原理相變儲能利用物質(zhì)從一種狀態(tài)轉(zhuǎn)變到另一種狀態(tài)時熱力學(xué)狀態(tài)(焓)的變化。例如，冰在融化成水的過程中，會從周圍環(huán)境中吸收大量熱量，在再結(jié)冰的過程中釋放大量熱量。在這個吸熱/放熱過程中，材料的溫度不會發(fā)生變化，也就是說，轉(zhuǎn)化過程可以在很小的溫度范圍內(nèi)帶來大量的能量。相變儲能被認(rèn)為是最有前途的儲能方法之一，因為具有溫度恒定、能量密度高、換熱效率高、安全可靠、等優(yōu)點。相變儲能具有以下特點:相變儲能的原理是依靠相變材料的溫度升高和降低來實現(xiàn)的，所以相變儲能的本質(zhì)就是為相變材料;相變材料(PCM）相變時的儲熱密度高、潛熱量大，因此，它比顯熱儲能要高得多;在相變過程中，材料的溫度幾乎保持不變，這與等溫過程相似。因此，在充熱和放熱過程中，相變材料的熱流幾乎保持不變;由于傳熱流體不能與相變材料直接接觸，因此需要使用質(zhì)量好的換熱器來進行儲能。PCM溫度顯熱PCM溫度顯熱顯熱顯熱潛熱潛熱儲存的能量儲存的能量圖2.1相變材料能量與其溫度關(guān)系圖在相變過程中，熱儲存介質(zhì)通常是等溫的或近等溫的。相變材料在相變過程中吸收或釋放的能量就稱為相變潛熱。金屬相變潛熱約為450KJ/Kg，某些無機鹽(如氯化鈉)的相變潛熱也高達517.1KJ/Kg。相變儲能材料在熔融過程中會吸收大量的相變熱，在凝固過程中又會吸收大量的相變冷，這使得相變儲能技術(shù)的研究具有重要的意義。相變分為固－液相變、液－氣相變和固－氣相變。其中固－液相變是最為常見的相變，但其相變潛熱是最低的；固－氣相變有最大的相變潛熱，但也是最少見也是最少用的。當(dāng)固液相變發(fā)生時，熔融過程包括共熔、相變和溶解。利用相變材料在熔化溫度范圍內(nèi)的熔化熱。一種物質(zhì)從一種晶態(tài)到另一種晶態(tài)的固-固相變通常導(dǎo)致相變潛熱相對較小。這個過程的優(yōu)點是體積變化很小，幾乎沒有過冷。因此，這是一種非常有吸引力和可行的相變儲能方法。對于固液相變過程，該過程不僅可以吸收或釋放相變潛熱，而且不占用大量體積，因此固液相變是實現(xiàn)相變儲能的最簡便方法。由此可見，材料的相變涉及到相變潛熱的吸收和釋放，在相變材料的載體作用下，能量以相變潛熱的形式被儲存起來，在需要的時候，儲存的能量可以以一定的方式被釋放出來使用，這就是相變儲能技術(shù)的應(yīng)用。相變材料有一些特定的要求，比如說：(1)物理性能方面：材料發(fā)生相變時其體積會變化小，儲存方便；放熱過程溫度變化穩(wěn)定。(2)化學(xué)性能方面：可以穩(wěn)定、多次地反復(fù)相變，可也多次循環(huán)利用，環(huán)保，無毒，安全。(3)經(jīng)濟性方面：材料的價格要經(jīng)濟實惠，并且比較容易制備。2.1.2典型的相變材料水是我們最常見的相變材料，在０℃水凝結(jié)成冰時釋放出的熱量就大概等同于將水從0℃加熱到80℃釋放的熱量。這是因為材料在相變時的焓變（334KJ/Kg）比起溫度變化時的焓變(4.19KJ/Kg)高了很多倍，這也成為相變材料的一個明顯優(yōu)勢——能量密度高而且體積小。常見的無機鹽類相變材料包括溶解鹽類和結(jié)晶水合鹽類。比如鋁硅鹽類的融化溫度在577℃，遠高于冰-水作為相變儲能的工作溫度，一般應(yīng)用于高溫領(lǐng)域。此外，無機鹽類的相變潛熱也更大，如鋁硅鹽類的能夠達到560KJ/kg。目前，在相變材料的研究中，正在結(jié)合以無機鹽和石蠟為代表的有機小分子材料的優(yōu)點，制備添加鋁、銅和石墨等高熱導(dǎo)率材料的復(fù)合相變材料，改善材料的熱性能，提高材料的蓄熱能力。石蠟作為相變材料時，工作溫度介于水與無機鹽類之間，一般為40℃到70℃之間，適合于常溫，相變時潛熱在200-240KJ/Kg之間。石蠟是一種具備高的相變潛熱、儲熱密度大、熔化時蒸汽壓力低，化學(xué)性能穩(wěn)定的相變儲能材料，經(jīng)反復(fù)吸放熱后相變溫度和相變潛熱變化小，成本低。缺點就是導(dǎo)熱系數(shù)小，密度小，單位體積儲熱能力差。名稱融化溫度/℃比熱容/J?(kg?℃)溶解熱/kJ?kg熱導(dǎo)/W?（m?K）密度/kg?m動力粘度/(kg/ms)石蠟6421502150.248903.59×10-328000.15726表2.1石蠟的物性參數(shù)2.1.3相變儲能系統(tǒng)的基本要求相變儲能系統(tǒng)應(yīng)包括如表2.2所示的三個組成部分:相變儲能系統(tǒng)1具有所需要相變溫度的PCM2有盛裝PCM的裝置3有合適的換熱裝置，PCM能夠與傳熱介質(zhì)有效地進行換熱表2.2相變儲能系統(tǒng)的組成部分2.2相變傳熱的數(shù)值求解總儲能量表示為相變儲能材料的潛熱QPCM潛和所吸收的顯熱QPCM顯，管材溫升的顯熱Q管顯之和[25]，即:Q儲存=QPCM顯+QPCM潛+Q管顯其中，儲熱材料的總質(zhì)量MPCM與其熱容的乘積為相變儲能材料所吸收的顯熱QPCM顯，則：QPCM顯=MPCM?CPPCM??tm=(πr02?πrw2)?H相變材料所吸收的潛熱表示為:QPCM潛=MPCM?L=(πr02?πrw2管材的總質(zhì)量與其熱容的乘積為管材溫升的顯熱:Q管顯=M管?Cp管??tm=(πrw2?πri2)其中?tm為對數(shù)平均溫差：?tm=?t1'ttt??t1''t?t2''tttAAt1'和t1''分別為管內(nèi)流體的入口溫度和出口溫度；2.3Fluent軟件簡介Fluent軟件屬于Fluent公司，是目前國際上比較流行的商用CFD軟件包，它以有限元體積法為核心，將大量的CFD流體計算工具集成到軟件包中，并以“軟件組”的概念，總結(jié)出流體熱力學(xué)的豐富物理模型，選擇合適的模型來求解物理問題，大大簡化了問題求解的復(fù)雜性。Fluent作為最全面的流體熱力計算軟件之一，得到了廣泛的應(yīng)用因為其模型庫豐富，數(shù)值模擬較準(zhǔn)確。在全球市場上占有很大的份額，美國半數(shù)以上的企業(yè)都在使用fluent來提高生產(chǎn)研究效率，國內(nèi)幾乎所有與流體熱力計算有關(guān)的領(lǐng)域包括科研及商用都在使用fluent。Fluent主要由以下幾個部分組成[26]：(1)預(yù)處理:幾何結(jié)構(gòu)的創(chuàng)建和網(wǎng)格的生成是Fluent計算的前提，而Gambit,Math,Filters都是功能強大的預(yù)處理工具;（2)求解器:Fluent自身就是一個功能非常豐富的求解器，同時也是整個軟件的核心，網(wǎng)格讀入之后數(shù)值計算和處理都要在其中進行;(3)后處理:Fluent有自己的后置處理器，功能豐富，可以實現(xiàn)計算結(jié)果的視圖、云圖、矢量圖和流線圖的繪制等。根據(jù)Fluent的組成，流體流動的計算問題就可以分為以下步驟:(1)建立模型對于任何的物理問題，在進行正式求解前都必須先建立其物理模型，建立模型可以使用AutoCAD、Solidworks等外部軟件，也可以使用workbench中自帶的DesignModeler和SpaceClaim。一般都是使用DesignModeler進行物理建模。(2)確定邊界條件與初始條件為了保證對物理問題有合理的解，必須給出相應(yīng)的初始條件和邊界條件。初始條件為所求問題中參數(shù)的初始分布，邊界條件為所求模型各個邊界上參數(shù)變化情況。(3)劃分計算網(wǎng)格為了得到離散的控制方程，網(wǎng)格生成是必不可少的步驟，而網(wǎng)格生成的質(zhì)量對所得結(jié)果的準(zhǔn)確性有很大的影響。(4)給定求解控制參數(shù)所謂控制參數(shù)是指流體的物理參數(shù)和求解模型所需要的關(guān)鍵參數(shù)，大多是通過實驗測量或經(jīng)驗總結(jié)得到的。除了上述參數(shù)外，還需要明確迭代步驟、收斂方式以及其他必要的參數(shù)。(5)求解計算使用求解器求解離散方程，得到云圖等分析圖。(6)輸出結(jié)果Fluent求解計算完成后，使用后處理器處理所需參數(shù)，再使用后處理器將參數(shù)輸出。第三章儲熱單元求解模型的建立3.1幾何模型的建立一個CFD流體計算問題的基礎(chǔ)就是幾何模型的建立，建立一個良好的幾何模型可以讓我們事半功倍，不僅可以準(zhǔn)確的反應(yīng)我們所研究的物理對象，而且還使我們劃分網(wǎng)格更加簡便。本文所使用的幾何建模軟件是ANSYSWorkbench平臺中的DesignModeler建模軟件，該建模軟件不僅有一般CAD軟件的優(yōu)點，同時也有其自身的獨特之處，有其他一些建模軟件沒有功能，可以保證模型的創(chuàng)建具有較高的幾何精度，而且該軟件建出的模型可以和網(wǎng)格劃分軟件完美的連接，通過DesignModeler創(chuàng)建的幾何模型導(dǎo)入網(wǎng)格軟件劃分網(wǎng)格時無需再進行多余的修復(fù)工作。本文所研究的換熱器儲熱單元結(jié)構(gòu)如下：圖3.1儲熱單元模型儲熱單元外徑D0管程內(nèi)徑di管程外徑dw管程總長L34mm10mm12mm500mm表3.1儲熱單元結(jié)構(gòu)參數(shù)3.2網(wǎng)格劃分在建立所需的幾何模型之后，下一個任務(wù)是網(wǎng)格生成。網(wǎng)格生成是CFD流體力學(xué)中最重要、最耗時的部分之一，網(wǎng)格的質(zhì)量直接影響最終解的精度。如果網(wǎng)格數(shù)太少就會導(dǎo)致計算誤差過大，或者計算結(jié)果不能收斂。網(wǎng)格過多，雖然計算結(jié)果的精度有所提高，但幅度不大，但計算時間大大延長，導(dǎo)致計算成本快速增加。ANSYSWorkbench集成了多種網(wǎng)格劃分源程序，常見的有ICEMCFD,,Gambit,CFX以及ANSYSPrep/Post等。選擇符合求解問題的網(wǎng)格劃分工具對我們的工作有很大的幫助。根據(jù)建立模型的特征，本文使用的是Mesh工具。Mesh工具提供了一個通用的網(wǎng)格生成工具，可用于任何類型的分析，以幫助解決問題。3.2.1邊界層對于流體計算，由于一些物理量在邊界處呈現(xiàn)很大的變化趨勢，或者我們主要研究邊界上的物理量，這樣一般的網(wǎng)格質(zhì)量不能滿足計算要求。為了準(zhǔn)確地描述這些參數(shù)，我們就要提高邊界層的網(wǎng)格密度。而在Mash中我們一般采用“膨脹”方法來提高邊界層密度，從而解決上面提到的問題。圖3.2使用和未使用“膨脹”網(wǎng)格劃分邊界的選擇是使用“膨脹”的方法劃分網(wǎng)格的關(guān)鍵。對于本文所研究的模型，需要進行膨脹細化邊界層的面即為PCM內(nèi)表面以及換熱流體與換熱器內(nèi)管的面。3.2.2網(wǎng)格劃分結(jié)果圖3.3網(wǎng)格劃分結(jié)果圖本文對所研究的模型網(wǎng)格劃分后，得到的節(jié)點數(shù)目為613470，單元數(shù)目為610332，如圖3.3。從圖3.3可以看出，模型分為三個部分:換熱流體、內(nèi)管以及PCM，三部分單獨劃分網(wǎng)格，流體邊界層網(wǎng)格使用“膨脹”方法進行細化，并且在各個接觸的邊界上，所劃分出的網(wǎng)格連續(xù)3.3求解參數(shù)設(shè)置對模型網(wǎng)格劃分完成后，就需要對Fluent求解參數(shù)進行設(shè)置，設(shè)置好正確的初始值和邊界條件，以保證求解過程正確順利的完成。3.3.1模型選擇CFD流體力學(xué)的首要任務(wù)是確定問題的物理模型，這對正確表達問題的內(nèi)容至關(guān)重要。進入Fluent我們先需要進行對所求問題物理模型的選擇。Fluent在模型板塊中有多種模型讓我們選擇使用，包含有:多相流模型、能量方程、粘性流方程、輻射方程、凝固和融化等。對于本文研究的問題來說，由于我們關(guān)心的是換熱流體與PCM在充分熱交換后達到熱平衡狀態(tài)時的PCM溫度及固液比等內(nèi)容，因此我們打開能量方程，選用粘性流模型并開啟凝固和融化。粘性流動模型中有很多選項，主要分為層流和湍流模型。根據(jù)管殼式換熱器流場分析的相關(guān)文獻，認(rèn)為管殼式換熱器流動是湍流的，因此本文選擇了湍流流動模型。Fluent提供了以下幾種湍流模型:Spalart-Allmaras模型、k-epsilon模型、k-omega模型、RSM-7雷諾應(yīng)力模型以及LES大渦模擬模型等。根據(jù)我們所研究的問題以及參考文獻提供的內(nèi)容，我最后選擇k-epsilon模型作為儲熱單元的物理模型。3.3.2物性參數(shù)定義模型后，需要定義CFD計算中涉及的流體及固體物理參數(shù)。在換熱器中，以水和石蠟分別作為流體和相變材料；以銅作為內(nèi)管材料。為了簡便計算，假設(shè)相變材料在固體和液體狀態(tài)下的物理性質(zhì)均為常數(shù)。密度ρ（kg/m3）比熱容Cρ（J/(kg?℃））熱導(dǎo)率λ（W/(m?℃）動力粘度η（Pa?s）998.241820.60.001003表3.2水的物性參數(shù)圖3.4石蠟的密度ρ參數(shù)圖3.5石蠟的比熱CP參數(shù)圖3.6石蠟的熱導(dǎo)率η參數(shù)3.3.3邊界條件邊界條件包括流動變量和熱變量在邊界處的值。它是Fluent分析中十分關(guān)鍵的一部分，只有邊界條件設(shè)置正確、合理才能有機會得到具有實際意義的解。邊界條件的分類：進出口邊界條件：速度入口、壓力入口、質(zhì)量入口、壓力出口、出流邊界；壁面邊界條件：壁面邊界、對稱邊界、軸邊界、交界面邊界條件；內(nèi)部邊界條件：風(fēng)扇、內(nèi)部、porous-jump、輻射器、壁面。內(nèi)部邊界條件定義在單元表面，這意味它們沒有有限厚度，并提供了流場性質(zhì)的每一步變化。這些邊界條件用來補充描述內(nèi)部的物理模型。根據(jù)不同邊界條件的特點，本文采用的入口類型為速度入口（入口速度設(shè)置為2m/s；入口溫度設(shè)置為363K）；出口類型為出流邊界（無需定義任何內(nèi)容，主要針對求解前出口流速和壓力未知的問題）；壁面邊界采用薄殼傳熱。第四章儲熱單元數(shù)值模擬4.1不同入口流速對儲熱單元儲熱性能的影響為了分析傳熱流體入口流速對儲熱單元儲熱性能的影響，F(xiàn)luent求解的過程中假定其他參數(shù)均相同，選擇傳熱流體入口溫度為353K。由于計算時間的限制，只研究了時間步長為1s，時間步數(shù)600下不同入口流速對蓄熱單元性能參數(shù)的影響。圖4.1所示的是不同入口流速時相變材料的溫度隨離管中心距離的變化圖。由圖可知，隨著入口流速的增大，相變材料各個位置的溫度也會增大，但影響不是很明顯。而且熱流體不同入口流速下相變材料的溫度變化趨勢基本一致。圖4.1不同入口流速時相變材料的溫度隨離管中心距離的變化圖不同入口流速下相變材料的液相比隨離管中心距離的變化如圖4.2所示，由圖可知隨著入口流速的增加，相變材料的平均液相比會增加，完全沒液化的體積越少。而且主要影響區(qū)間為相變材料離管中心距離7mm-10mm之間。其他區(qū)間不同入口流速下相變材料的液相比基本一樣。圖4.2不同入口流速時相變材料的液相比隨離管中心距離的變化圖4.2不同入口溫度對儲熱單元儲熱性能的影響為了分析傳熱流體入口溫度對儲熱單元儲熱性能的影響，F(xiàn)luent求解的過程中假定其他參數(shù)均相同選擇傳熱流體入口速度為1m/s。研究時間步長為1s，時間步數(shù)600下不同入口溫度對蓄熱單元性能參數(shù)的影響。圖4.3所示的是不同入口溫度時相變材料的溫度隨離管中心距離的變化圖。由圖可知，隨著入口溫度的增大，相變材料各個位置的溫度也會明顯增大，且熱流體不同入口溫度下相變材料的溫度變化趨勢基本一致。不同入口溫度下相變材料的液相比隨離管中心距離的變化如圖4.4所示，由圖可知隨著入口溫度的增加，相變材料的平均液相比會增加；完全沒液化的體積基本相同。在相變材料離管中心距離7mm-10mm之間，不同入口溫度對液相比影響尤為明顯。在對比不同入口溫度和不同入口流速對儲熱單元儲熱性能的影響后，發(fā)現(xiàn)入口流速對儲熱單元儲熱性能的影響明顯小于入口溫度對儲熱單元儲熱性能的影響。圖4.3不同入口溫度時相變材料的溫度隨離管中心距離的變化圖圖4.4不同入口溫度時相變材料的液相比隨離管中心距離的變化圖4.3不同時間下儲熱單元的溫度和液相比分析不同時間下儲熱單元的溫度和液相比，F(xiàn)luent求解的過程中假定其他參數(shù)均相同選擇傳熱流體入口速度為1m/s，入口溫度為363K。根據(jù)圖4.5和圖4.6可知在65min左右，相變材料已完全液化，相變儲熱已完成。65min60min30min10min65min60min30min10min圖4.5不同時間下相變材料的液相比云圖圖4.6不同時間下相變材料的液相比根據(jù)圖4.7可知，雖然相變材料已相變完全，但其各個位置的溫度并不相同。由內(nèi)向外溫度逐漸減小。圖4.7不同時間下相變材料的溫度總結(jié)與展望本文借助ANSYSWorkbench平臺，以管殼式相變儲能換熱器儲熱單元作為研究對象，使用DesignModeler及Mash工具完成對儲熱單元的模型建立及網(wǎng)格劃分，并利用Fluent流體分析軟件對相變材料在儲熱過程中各個參數(shù)的計算及研究，求解之后使用CFD-Post將所求結(jié)果導(dǎo)出到Origin，使用Origin數(shù)值處理軟件對所得數(shù)值進行處理，主要得出的結(jié)論有：在儲熱過程中，儲熱單元中相變材料的平均溫度和平均液相比隨傳熱流體的入口流速和入口溫度的增加而增加，并且增加率是逐漸減小的。但其中入口流速對儲熱單元的各項熱參數(shù)影響不大，而入口溫度的影響是明顯大于入口流速的影響的。在入口流速1m/s，入口溫度363K的情況下，相變材料完全相變需要65min左右。但此時相變材料各個位置溫度并不相同，根據(jù)離管中心的距離增大而減小。由于專業(yè)知識儲備不足，時間不夠充分，本文所做的工作仍然存在著大量的不足：本文僅對管殼式相變蓄能換熱器蓄熱單元進行了數(shù)值計算，對于具體的蓄熱器的數(shù)值計算工作還未展開。并且文中規(guī)定了相變材料在固體和液體的各個物性參數(shù)均為常數(shù)，但實際相變材料的各個物性參數(shù)肯定是隨著溫度的改變而變化的，因此后續(xù)的研究可以將相變材料的參數(shù)變得更貼切實踐些。本文只研究了使用水作為換熱流體，石蠟做為相變材料，以后可以對多種換熱流體和相變材料不同組合進行深一步的研究。參考文獻[1]韓芳.我國可再生能源發(fā)展現(xiàn)狀和前景展望[J].可再生能源，2010,28（4）:137-140.[2]張敉.太陽能熱利用的現(xiàn)狀和發(fā)展[J].云南冶金，1998,27（3）:44-47.[3]趙楠，李江華.中國地區(qū)能源利用效率統(tǒng)計測度與實證研究[M].北京:中國統(tǒng)計出版社，2015[4]李靜，王柵，傅良疆.相變儲熱材料在工程中的應(yīng)用和發(fā)展[J].科技經(jīng)濟導(dǎo)刊，2016（25）:76-77.[5]RajaSaxena,DibakarRakshit,S.C.Kaushik.ExperimentalassessmentofPhaseChangeMaterial(PCM)embeddedbricksforpassiveconditioninginbuilding[J].RenewableEnergy,2020,149.[6]JiangLiu,YanLiu,LiuYang,TangLiu,ChenZhang,HongDong.ClimaticandseasonalsuitabilityofphasechangematerialscoupledwithnightventilationforofficebuildingsinWesternChina[J].RenewableEnergy,2020,147[7]ChuanfeiShen,XiangLi,GuoqingYang,YanbinWang,LunyuZhao,ZhipingMao.Shape-stabilizedhydratedsalt/paraffincompositephasechangematerialsforadvancedthermalenergystorageandmanagement[J].ChemicalEngineeringJournal,2020,385.[8]ZhiyongLiu,ChuyueZang,ZhichengJu,DanHu,YunshengZhang,JinyangJiang,ChengLiu.Consistentpreparation,chemicalstabilityandthermalpropertiesofashape-stabilizedporouscarbon/paraffinphasechangematerials[J].JournalofCleanerProduction,2020,247.[9]雷永康，田琦，武賦.散熱器供暖相變儲熱材料的性能研究[J].華僑大學(xué)學(xué)報，2019，40（06）:748-755.[10]胡榮榮，李鳳艷，趙天波.石蠟/P(MMA-co-MAA)相變微膠囊的制備與性能[J].精細石油化工，2019，36（04）:63-68.[11]黃莉.石蠟/水相變?nèi)橐旱闹苽渑c性能[J].化工學(xué)報，2018,69（04）：1749-1758.[12]蔡莞晨，楊文彬，張凱，范敬輝，吳菊英，邢濤，何韌.石蠟相變?nèi)诨^程的實驗和數(shù)值模擬[J].西南科技大學(xué)學(xué)報，2018,33（03）:69-81.[13]QiLi,ChuanLi,ZhengDu,FengJiang,YulongDing.Areviewofperformanceinvestigationandenhancementofshellandtubethermalenergystoragedevicecontainingmoltensaltbasedphasechangematerialsformediuman