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集热板上设有带间隙的多重V形肋片的太阳能空气集热器通道的传热与流动特性数值研究

来源:论文学术网
时间:2024-08-18 21:35:25
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集热板上设有带间隙的多重V形肋片的太阳能空气集热器通道的传热与流动特性数值研究【摘要】:太阳能具有普遍、巨大、长久、无害等优点,太阳能的应用也得到了广泛的重视。太阳能集热器是把太阳

【摘要】:太阳能具有普遍、巨大、长久、无害等优点,太阳能的应用也得到了广泛的重视。太阳能集热器是把太阳能转换成热能的装置,广泛应用在空间加热、农作物的干燥、工业生产等方面。对于传统的平板式太阳能空气集热器,空气流过矩形通道的过程中,在壁面处形成很厚的粘性层流底层,导致吸热板与空气之间的换热系数很低,热损失大。为了提高集热器的换热效率,减少热损失,需要对集热器的结构进行改善。大量研究表明,在吸热板上设置人工粗糙元可以有效地改善集热器的换热情况。本文采用的人工粗糙元为带有间隙的多重V形肋片,采用CFD数值模拟软件对带有间隙的多重V形肋片的太阳能空气集热器的传热及流动特性进行了研究。首先对三维物理模型进行了网格无关性检验、湍流模型的选择及有效性分析。然后计算了在不同的廊数下,间隙位置(d1/(w/2),d1/(w/2))、相对肋宽比(W/w)、肋片厚度S、肋片节距P、肋片高度e、肋片倾角α对集热器的平均Nu数、摩擦阻力因子和热性能因子的影响。计算结果表明,间隙位置为dl/(w/2)=0.33,d2/(w/2)=0.33时,集热器的壁面平均Nu数、摩擦阻力因子和热性能因子均取得最大值。集热器的热性能因子随着W/w的增大先增大后减小,当W/w=6时,热性能因子,7最大,W/w=5时次之,W/w=1时最小。在Re=6000时,随着肋厚S的增大,集热器的热性能因子逐渐减小,在Re=9000-18000时,随着S的增大,集热器的热性能因子逐渐增大。肋片高度e=1mm、2m m和6mm时,热性能因子随着节距的增大而减小,e=4mm时,热性能因子随着节距的增大先减小后增大。随着肋高的增大,热性能因子先增大后减小,当e=2mm时,热性能因子最大。随着倾角α的增大,热性能因子逐渐减小,a=30。的最大,a=45。的次之,a=75。的最小。在Re=9000-18000范围内,带间隙的肋片的热性能因子比连续形肋片的热性能因子大。对流动特性的分析得出,带有间隙的V形肋片与连续的V形肋片相比,间隙的存在可以提高间隙背风面处的Nu数。但从间隙处流出的流体会破坏旋涡的流动,使旋涡提前消失,这一点不利于换热。因此,应综合考虑间隙对集热器换热的影响。随着节距的减小或肋高的增大,流体在整个通道中下降上升的次数增多,主流的冷流体和加热面附近的热流体换热次数增多,冷热流体掺混的更均匀,集热器的强化换热效果更显著。倾角越大,旋涡旋转直径越大,在相邻肋片区域流动的流体中受旋涡扰动的比例越大,流体掠过肋片进入相邻肋片区域后,流动方向改变的越大,但倾角越大,在相邻肋片间流动的流体速度越小,湍流度越小,综合考虑,得到a=45°时,集热器的换热效果最好。 【关键词】:太阳能空气集热器 强化换热 数值模拟 V形肋片 间隙
【学位授予单位】:大连理工大学
【学位级别】:硕士
【学位授予年份】:2015
【分类号】:TK513.1
【目录】:
  • 摘要4-5
  • Abstract5-7
  • 目录7-9
  • 1 绪论9-16
  • 1.1 课题背景9-10
  • 1.1.1 太阳能利用发展现状9-10
  • 1.1.2 未来的太阳能利用10
  • 1.2 太阳能集热器10-11
  • 1.3 强化传热11-13
  • 1.3.1 强化传热方法12
  • 1.3.2 太阳能平板集热器的强化传热12-13
  • 1.4 太阳能平板集热器的研究现状13-15
  • 1.5 目前研究存在的不足15
  • 1.6 本文的主要研究内容15-16
  • 2 数值研究16-26
  • 2.1 CFD软件介绍16-18
  • 2.1.1 计算流体动力学的特点16
  • 2.1.2 计算流体动力学问题的解决过程16-17
  • 2.1.3 FLUENT软件介绍17-18
  • 2.2 物理模型18-20
  • 2.3 数值求解20-26
  • 2.3.1 参数定义20-21
  • 2.3.2 网格生成21
  • 2.3.3 FLUENT中各参数设置21-23
  • 2.3.4 网格无关性检验23-24
  • 2.3.5 湍流模型选择和有效性分析24-26
  • 3 肋片结构对集热器热性能的影响26-54
  • 3.1 间隙位置的影响26-29
  • 3.2 相对肋宽比的影响29-31
  • 3.3 肋片厚度的影响31-33
  • 3.4 肋片节距的影响33-41
  • 3.4.1 肋片节距对壁面平均Nu数的影响33-36
  • 3.4.2 肋片节距对摩擦阻力因子的影响36-38
  • 3.4.3 肋片节距对热性能因子的影响38-41
  • 3.5 肋片高度的影响41-49
  • 3.5.1 肋片高度对壁面平均Nu数的影响41-44
  • 3.5.2 肋片高度对摩擦阻力因子的影响44-46
  • 3.5.3 肋片高度对热性能因子的影响46-49
  • 3.6 肋片倾角的影响49-51
  • 3.7 带间隙与连续形比较51-53
  • 3.8 本章小结53-54
  • 4 肋片对集热器Nu数分布及流场的影响54-72
  • 4.1 间隙对Nu数分布及流场的影响54-58
  • 4.1.1 集热器Nu数分布比较54-56
  • 4.1.2 流场比较56-58
  • 4.2 肋片节距对Nu数分布及流场的影响58-62
  • 4.2.1 肋片节距对Nu数分布的影响58-60
  • 4.2.2 肋片节距对流场的影响60-62
  • 4.3 肋片高度对Nu数分布及流场的影响62-66
  • 4.3.1 肋片高度对Nu数分布的影响62-64
  • 4.3.2 肋片高度对流场的影响64-66
  • 4.4 肋片倾角对Nu数分布及流场的影响66-71
  • 4.4.1 肋片倾角对Nu数分布的影响66-68
  • 4.4.2 肋片倾角对流场的影响68-71
  • 4.5 本章小结71-72
  • 结论72-74
  • 参考文献74-77
  • 攻读硕士学位期间发表学术论文情况77-78
  • 致谢78-79


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