太阳能斯特林机用新型吸热器的设计与模拟

本文给出了一种太阳能斯特林机用的新型吸热器的结构设计,工作原理,以及在特定边界条件下的数值模拟结果。该吸热器整体上为腔式结构,其内部开有U形的气体加热通道,其顶盖部分设计有把进出吸热器的氦气进行分流及汇集的通道。该吸热器在受光照加热的区域呈完全周向对称结构。数值模拟及对比的结果表明,该吸热器在工作时周向壁面的温度场分布较均匀,整体温差低,出口处工质的温度较高。该吸热器具有较好的加热效果。     

焦点固定型碟式-斯特林太阳能热发电系统实验研究

太阳能光热发电是自由活塞斯特林热机技术的重要应用方向之一。为降低碟式-斯特林太阳能热发电系统成本,本文提出并实验研究了一种焦点固定型碟式-自由活塞斯特林太阳能热发电系统。初步实验结果表明:自由活塞斯特林发电机起振时对应的吸热器壁面温度为345℃。当太阳辐射强度在760 W/m2附近时,吸热器壁面温度在650℃以上,发电机的输出功率可达1320W。本工作验证了低成本的多碟聚光器用于碟式-自由活塞斯特林太阳能热发电系统的可行性,并为下一步系统优化指明了方向。     

腔式太阳能吸热器热性能的模拟计算

腔式吸热器是塔式太阳能热发电系统中非常关键的一个部件,它的性能直接关系到整个发电系统的效率,因此对吸热器内的太阳能热流密度及吸热器的效率进行计算在吸热器设计中便显得尤为重要.本文提出了一种综合计算的方法来解决这个问题:首先利用蒙特卡罗(Monte Carlo)方法来模拟吸热器内太阳光束的行为,得到吸热器内的太阳能热流密度分布;然后利用流动换热的相应公式计算出吸热器内吸热管道的壁温;接着再对吸热器内空气的流场进行计算得到吸热器管道的热损失.利用这种综合计算的方法可以估算出太阳能在吸热器表面的热流密度分布以及吸热器的效率,为吸热器设计提供一定的理论指导.     

太阳能腔式吸热器表面反射率的选择

由于开口处阳光能流密度的不均匀分布以及阳光的单侧投射使得太阳能腔式吸热器内部吸热管表面的热流密度分布呈现出高度得不均匀性,严重影响吸热器运行的安全可靠性。采用建立的耦合计算模型对一个饱和蒸汽太阳能腔式吸热器的热性能进行了数值模拟,提出了一种沸腾管表面反射率的优化分布方式,从而改善了吸热器内部沸腾管表面热流密度和温度分布的不均匀性.     

塔式吸热器中辐射传播过程的参数分析

采用自编程的蒙特卡罗光线追迹程序模拟了太阳辐射在吸热器中的传播过程,计算求得了吸热体内的热流密度分布情况。由随机光于的传播特性可知,不同的系统参数会对吸热体内辐射分布产生影响。根据太阳辐射在吸热器中的传播顺序,本文依次考察了入射光倾角、多孔介质的几何形状以及厚度、吸收系数与消光系数比值(μ_a/μ_t)以及孔隙率(ε)等因素对SiC泡沫金属吸热体内吸收辐射分布的影响。计算结果表明入射光倾角和吸热体的几何形状是影响吸热体内热流分布均匀性的主要因素,且随着μ_a/μ_t比值的降低和ε的增加,吸热体内热流密度极值迅速减小,同时厚度方向的热流密度梯度变缓。本文的研究结果可以为太阳能吸热器的结构设计和材料选择提供参考。     

室内低温地板辐射采暖的温度分布及湍流流动数值模拟

采用k-ε模型和壁面函数法耦合辐射模型对低温地板辐射采暖房间进行了数值模拟,通过分析室内温度分布特征及流动特性,得出了室内空气温度分布随室内高度的变化关系、围护结构表面温度及热流的分布特性,数值结果表明了在室内主流区域空气温度分布均匀,其温差在1℃左右,从而说明了低温地板辐射采暖舒适性的原因,数值模拟结果也表明了辐射在地板采暖中的重要性,辐射热流达到了总热流的50%-60%。     

超燃发动机燃烧室壁面辐射热流的预测分析

采用蒙特卡罗法结合Edwards指数宽谱带模型模拟计算了超燃发动机燃烧室内的辐射换热.燃烧产物由二氧化碳、水蒸汽与其它非辐射性气体组成.计算中,考虑了压力、温度、组份含量对辐射性气体光谱吸收系数的影响.通过计算,获得了燃烧室壁面的辐射热流分布.研究结果表明,燃烧室内高温高压燃气的热辐射作用很强,壁面辐射热流可达到2.2×105 W/m2.     

催化剂薄层内甲烷水蒸气重整反应强化管内对流换热的数值模拟

本文以竖直圆管内壁催化剂薄层内发生甲烷水蒸气重整反应强化对流换热作为研究对象,对其进行了数值模拟．结果发现,催化剂薄层内的吸热化学反应可以有效地强化对流换热,降低流体和壁面温度,从而对壁面起到保护作用;极限热流密度的大小与流体的入口温度有关,存在最佳入口温度使极限热流密度最大．     

热法磷酸塔内传热与燃烧的数值模拟

本文对热法磷酸塔内的燃烧过程及辐射传热进行了数值模拟研究,针对云南省磷化工中试基地所提供的燃磷塔的设计结构,探讨了燃磷塔壁面温度、磷火焰辐射吸收系数和壁面黑度对燃烧温度、燃磷塔山口平均温度和壁面热流的影响。数值模拟结果表明,磷火焰辐射吸收系数对塔内的传热及燃烧特性的影响最大。壁面黑度对燃烧温度、燃磷塔出口平均温度和壁面热流的影响近似呈线性规律,对燃烧温度影响作用较弱。壁面温度仅对出口平均温度的影响较大,对火焰最高温度的影响较小。上述三种因素对壁面平均热流的影响作用基本相同。所预报的壁面热流平均值与现场试验结果符合较好。     

太阳能腔式吸热器沸腾传热性能研究

腔式吸热器是太阳能塔式热发电系统中光热转换的重要设备,由于其长期在高密度、非均匀辐射热流条件下工作,因此对其性能进行研究具有重要意义。本文对腔式吸热器的整体结构和吸热面进行了设计,采用改进的蒙特卡罗法与对流换热耦合的方法模拟了腔体内部热流密度分布,分析了吸热管束内部汽液两相流的流量、温度、以及管壁表面温度等参数的变化规律,从而对不同位置的换热系数进行预测,比较全面地认识吸热器整体性能。     

螺旋管内超临界氮的对流换热研究

在内径为2mm曲率为0.057的螺旋管内进行了超临界氮的对流换热实验,研究探讨了螺旋管入口温度、壁面热流密度对沿程壁面温度分布以及平均换热系数的影响,与前人关于螺旋管内常规流体流动换热的平均Nu的经验关系式进行了比较。并基于FLUENT软件进行了数值计算,并与实验结果进行了比较。分析表明,数值计算对壁面温度的预测有一定的适用性。     

槽式太阳能集热器集热性能分析

本文运用蒙特卡罗光线追踪法(MCRT)模拟了抛物槽式系统聚光特性,并与计算流体与传热有限容积方法(FVM)结合,进一步研究了吸热管内耦合传热过程.聚光特性分析中考察了光不平行夹角、几何聚光比和边界角对太阳热流密度分布的影响;耦合传热模拟中考虑了液体油热物性随温度的变化以及吸收管外管壁辐射换热.模拟计算表明;模拟计算结果与文献数据对比符合较好,验证了计算方法与模拟程序的正确性.光不平行夹角主要对热流密度圆周方向分布产生影响,使其分布平缓,对热流密度轴向分布影响不大;随着几何聚光比的增大,太阳热流衰减区的角度跨度增大;随着边界角的增大,热流密度圆周分布曲线向圆周角90°方向平移,同时热流密度极大值降低.在太阳直射强度大致相同情况下,入口流速与入口温度对接收管表面对流换热与最大温差影响很大;同时变物性对流体对流换热影响也较大.     

定热流加热管湍流入口段的耦合热流分析

对圆管内物性随温度变化的吸收-各向同性散射介质的湍流入口段,数值研究了定热流加热下辐射与湍流正在发展流耦合换热的稳态热流特征．采用低雷诺数k-ε模型与SIMPLEC算法求解湍流流动与对流换热,采用蒙特卡罗法求解辐射换热;根据耦合换热温度场,采用等权抽样的蒙特卡罗法计算辐射热流。通过模拟计算,给出了介质内的耦合换热辐射热流与导热热流分布。通过分析介质光学厚度、散射反照率、壁面黑度对热流的影响,得出一些有价值的结论．     

横向风条件下线性火焰热特性

通过搭建横向风下线性火焰燃烧的实验装置,对线性火焰下游壁面处温度以及辐射热流进行了研究。结果表明,壁面温度随无量纲下游距离增加而减小,且呈分段函数分布。量纲分析和数据拟合表明,无量纲辐射热流随着无量纲下游距离增加而减小。计算结果表明,辐射分数随着风速的增加而略微减小。考虑到火焰浮力和环境风动量的共同作用,依据火焰附壁长度,将火焰分为浮力主控区和动量主控区,建立了一种修正的线性火焰对下游壁面热辐射的预测模型,模型预测与实验结果吻合较好。     

辐射平衡壁温下有限催化模型数值模拟

文章发展了高超声速飞行器辐射平衡壁温下有限催化的数值方法,将数值模拟结果与基于返回舱外形的风洞实验数据进行了对比,并进一步针对典型高超声速飞行器钝双锥研究了辐射平衡壁温下有限催化对气动热环境的影响规律.针对返回舱外形的数值实验表明,完全催化与完全非催化边界条件下壁面热流密度均与风洞实验结果偏差较大,而采用合适的有限催化模型获得的壁面热流密度与风洞实验结果符合良好.针对典型高超声速飞行器钝双锥的研究表明,在辐射平衡温度边界条件下驻点附近氧原子的催化复合系数约为0.17,氮原子的催化复合系数约为0.026,大面积区则分别降为0.005 3和0.01.在驻点热流密度方面,完全催化的壁面热流峰值比有限催化高约21%,而完全非催化的壁面热流峰值比有限催化低约29%.      

类Apollo返回舱外形肩部热流的数值影响因素分析

预测类Apollo返回舱外形在高焓来流下的气动热特性,研究网格Reynolds数、壁面温度、多种化学反应模型以及限制器对预测热流的影响.采用ESI-CFD-FASTRAN软件作为数值模拟平台,使用基于温度梯度及分子扩散效应的热流模型;空间离散采用Roe-FDS格式,时间推进采用点隐式;采用等温壁面条件.数值计算表明:（1）热流在返回舱头部驻点处达到一个极值,沿着壁面热流不断下降,经过返回舱肩部热流有突越上升;（2）满足网格Reynolds数小于10的网格获得的热流较为准确;（3）使用Gupta模型计算得到的热流与Park85模型得到的类似,但是获得的热流分布类似;（4）采用湍流模型获得的头部肩部热流结果与层流结果相同;（5）二阶minmod限制器实现了高阶格式,其计算得到的热流结果在肩部略高,但是整体分布略低于不带限制器的格式.因此,在计算中采用满足网格Reynolds数壁面网格,采用带限制器的高阶格式计算获得的热流分布更加准确;由于头部热流主要贡献并非来源于湍流,因此对于肩部热流采用层流模型足够准确.      

太阳能热气流烟囱的实验和数值模拟

本文搭建了一个小型太阳能热气流烟囱的实验台,测量了其在不同工况下壁面,空气温度,以及系统瞬时质量流量。结果表明随着太阳辐射强度的增加壁面和空气的温度以及系统流量均提高。对所建实验台进行数值模拟,结果显示,不考虑系统辐射,以输入功率换算的太阳辐照强度为边界条件模拟会高估系统壁面温度和流量,考虑了系统辐射后则能得到与实验测量值相近的结果。     

碟式太阳能复合圆锥型腔式吸热器热性能评估

在碟式太阳能热发电技术中,吸热器是光热转换的重要装置,其热性能直接影响整个电站的安全可靠性和经济性.本文针对碟式聚光集热系统,采用光线踪迹法,建立复合圆锥型腔式吸热器内表面热流密度分布数值模型及吸热器内传热耦合模型,探究腔体结构对受热面热流密度分布特性及吸热器热传热耦合特性的影响.研究结果表明:腔体内部锥角α增大时,腔体内表面热流密度呈现不同的分布规律,腔式吸热器辐射热损失逐渐增大,对流热损失先增大后减小;通过选择合理的吸热器内部锥角,可以有效地优化吸热器热效率.     

抛物面式太阳能聚能系统聚光特性模拟

结合集热器的光学特性,本文应用蒙特卡罗法对理想的槽型和碟型两种抛物面集热器在不同焦距、不同边缘角时焦面上的热流密度进行了计算,获得了焦距、边缘角和聚光比之间的关系。在考虑太阳不平行度、跟踪指向误差、镜面的反射误差条件下,对碟型抛物面太阳能聚能系统的辐射特性进行了数值模拟分析,获得了吸收器壁面热流分布以及边缘角对焦面热流分布的影响,为太阳能聚能系统的设计和安装提供参考依据。     

热声发动机的CFD数值模拟

采用计算流体动力学(CFD)方法,对高频驻波热声发动机和热声斯特林发动机实验系统分别进行了二维和三维数值模拟。计算模型具有与实验系统相同的几何结构、尺寸和运行工况。对计算模型的有效性进行了研究,表明实现有限换热条件的板叠实物模型适合驻波热声发动机的模拟,而实现局域热平衡的多孔介质模型适合热声斯特林发动机的模拟。计算结果成功观测到了非线性的自激振荡演化过程,捕捉到了两种发动机的不同非线性现象。计算结果分别给出了两种热声发动机内部的声场分布特性和复杂流场。计算结果与实验结果的对比验证了CFD方法对高频驻波热声发动机和热声斯特林发动机模拟的有效性。