家用太阳能热水器储热水箱放水特性的三维数值模拟研究

【摘要】：储热水箱是人们经常使用的，它是生活中重要的储能元件之一。在使用时能从水箱中取出多少有用热量是衡量其设计及取水方式优劣的重要因素。在常见的顶水式取水方式中，由于从底部进入的冷水和储热水箱中的热水发生混水，减少了有用热量，因而研究其取水时的温度分层度，可优化水箱设计及取水方式，提高能量使用效率。 为了分析温度分层度这一参数，本文选用了我国南方地区普遍使用的家用太阳能热水系统的几种水箱作为模型，采用实验、数值模拟相结合的方法对储热水箱进行了研究。本文根据生活中的日常使用习惯研究了储热水箱在层流状态下三种不同入口流速的放水曲线，分析了各种流速时储热水箱内的掺混程度及温度分层度，建立了包括控制方程、边界条件、水的物性参数在内的数学模型。本文较全面地分析了储热水箱的瞬时特性，为实际工程应用提供了坚实的理论基础。 本文研究内容如下： 首先，通过实验研究了储热水箱在层流状态三种流速下的放水曲线，由放水曲线可以观察到放水过程分为三个阶段：高温稳定阶段、温度迅速下降阶段和低温稳定阶段，各阶段持续时间的长短与进水速度有直接的关系；并计算出各工况下储热水箱相对303K的放热效率，发现放热效率随着流速的增大而减小。 其次，利用数值模拟方法对相同尺寸、相同结构的储热水箱作了对比分析。发现模拟的放水曲线与实验的趋势一致，放热效率几乎相同，证明建立的模型可用于此类储热水箱的模拟研究。 再次，利用验证的模拟方法对常见的卧式与立式储热水箱进行了不同工况下三维温度场、放水曲线及温度分层度的的数值模拟研究，并采用了无量纲火用参数定量化分析了水箱的温度分层度。研究表明，随着入口流速的增加，水箱内的掺混程度递增，温度分层度递减；出入口同侧水箱的温度分层度高于出入口异侧水箱；立式水箱的温度分层度高于卧式水箱。因此，在入口流速小、立式出入口同侧的水箱下具有更高的温度分层度。 最后，本文根据模拟结果对水箱入口提出一种优化设计方案，结果显示，这种方案对于所模拟的200L小型家用储热水箱的温度分层度有一定提高。还利用TRNSYS软件对水箱的放水情况进行模拟，与FLUENT的结果进行了对比分析。 【关键词】：储热水箱 三维数值模拟 放水曲线 温度分层 无量纲火用
【学位授予单位】：云南师范大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2013
【分类号】：S214.2
【目录】：

• 摘要3-5
• Abstract5-7
• 目录7-11
• 第1章 绪论11-16
• 1.1 研究背景及意义11-12
• 1.2 研究现状12-14
• 1.3 本文工作14-16
• 1.3.1 研究对象和内容14-15
• 1.3.2 研究方法15
• 1.3.3 创新点15-16
• 第2章 太阳能储热水箱放水特性分析16-21
• 2.1 影响储热水箱特性的参数16-17
• 2.1.1 储热水箱的高宽比16
• 2.1.2 出水口与入水口的位置16-17
• 2.1.3 入水口雷诺数17
• 2.1.4 储热水箱保温性能17
• 2.2 储热水箱放水特性分析17-21
• 2.2.1 放热效率17-18
• 2.2.2 温度分层度的量化18-21
• 第3章 研究方法及手段21-32
• 3.1 研究的储热水箱结构21-22
• 3.2 实验研究方法及手段22
• 3.3 数值模拟研究方法及手段22-32
• 3.3.1 CFD 简介22-26
• 3.3.1.1 CFD 的程序结构22-24
• 3.3.1.2 CFD 软件的特点24-25
• 3.3.1.3 CFD 的模拟步骤25-26
• 3.3.2 ICEM CFD 简介26-28
• 3.3.3 FLUENT 简介28-29
• 3.3.4 Tecplot 360 简介29-30
• 3.3.5 TRNSYS 简介30-32
• 第4章 实验测试及结果分析32-36
• 4.1 实验测试装置及测试仪器32-33
• 4.1.1 实验测试装置及测试仪器32-33
• 4.2 实验测试程序33-34
• 4.3 实验测试结果分析34-36
• 4.3.1 三种流速的放水曲线34-35
• 4.3.2 三种流速的放热效率35-36
• 第5章 数值模拟及结果分析36-53
• 5.1 几何模型的建立和网格划分36-42
• 5.1.1 几何模型的建立36-37
• 5.1.2 几何模型的网格划分37-38
• 5.1.3 控制方程38-41
• 5.1.4 边界条件41-42
• 5.2 网格与时间步长独立性验证42-46
• 5.2.1 网格独立性验证43-44
• 5.2.2 时间步长独立性验证44-46
• 5.3 FLUENT 模拟参数设置46-49
• 5.3.1 求解器及求解模型设置46
• 5.3.2 流体及材料物性设置46
• 5.3.3 边界条件设置46-47
• 5.3.4 离散项设置47
• 5.3.5 亚松弛因子设置47-48
• 5.3.6 残差设置48
• 5.3.7 初始化设置48
• 5.3.8 迭代设置48-49
• 5.4 数值模拟结果分析49-53
• 5.4.1 不同时刻的温度49-51
• 5.4.2 FLUENT 模拟与实验对比51-53
• 第6章 数值模拟分析及优化设计53-88
• 6.1 卧式水箱对比53-67
• 6.1.1 卧式水箱模型53-55
• 6.1.2 2L/min 流速放水过程分析55-59
• 6.1.3 5L/min 流速放水过程分析59-62
• 6.1.4 8L/min 流速放水过程分析62-65
• 6.1.5 死水区图像65-67
• 6.2 立式水箱对比67-80
• 6.2.1 立式水箱模型67-68
• 6.2.2 2L/min 流速放水过程分析68-72
• 6.2.3 5L/min 流速放水过程分析72-75
• 6.2.4 8L/min 流速放水过程分析75-78
• 6.2.5 死水区图像78-80
• 6.3 放水曲线及放热效率80-82
• 6.4 量化温度分层度82-84
• 6.5 水口优化84-86
• 6.6 Trnsys 与 FLUENT 对比86-88
• 第7章 全文总结与展望88-90
• 7.1 本文总结88-89
• 7.2 对未来工作的展望89-90
• 参考文献90-93
• 攻读学位期间发表的学术论文和研究成果93-94
• 致谢94

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