关键词：
相变储热
格子Boltzmann
多孔介质
强化传热
摘要：
相变储能作为一种新型储能方式因其具有潜热大,相变温度变化小等优势且能解决能源利用在强度、时间和空间上不匹配的问题而受到广泛关注。然而目前相变材料的导热系数普遍较低,导致了相变储能系统储放热效率低,因此强化相变材料的导热,提高储能系统换热效率尤为重要。根据相变材料的固液相变传热特性,在相变材料中填充高导热的多孔介质是提高相变材料等效导热,强化储能系统传热的有效方式,本文使用格子Boltzmann方法研究了孔隙尺度下多孔介质复合相变材料的固液相变过程,并通过改变多孔介质的孔隙率,分布规则以及Rayleigh数的大小来研究其对相变储能系统固液相变过程的影响。此外,本文还构建且验证了基于中心距格式的多松弛格子Boltzmann固液相变模型,进一步提高了固液相变模型在应对大Rayleigh数、粗网格以及低Prandtl数等条件下的计算精度。本文主要研究内容和结论如下:(1)针对方形相变储能系统,建立了固液相变格子Boltzmann传热模型,并研究了扇形多孔介质的孔隙率、填充角度对储能系统传热性能的影响。结果表明,加入多孔介质能够有效提高传热效率并扩大潜热的作用,从储能系统底部开始填充多孔介质能够有效强化底部传热,缓解腔体顶部热量积聚,提高储能系统整体传热速率,在高Rayleigh数下,加入180°多孔介质的完全熔化时间要小于加入270°的多孔介质,而评估参数也说明了在这种情况下210°是能平衡强化传热性能和能量储存密度的多孔介质最佳填充角度。(2)针对环形储能相变储能系统,建立了具有曲线边界的格子Boltzmann固液相变传热模型,考虑了4种不同的梯度孔隙分布多孔介质类型和3种均匀孔隙率多孔介质对储能系统传热的影响,并综合分析了储能系统中热传导和热对流协同作用下最佳孔隙分布多孔介质类型。相较于纯相变材料,再加入孔隙率为0.5的均匀多孔介质后相变材料的完全熔化时间缩短了80.6%。在此基础上,相较于其他孔隙分布的多孔介质,孔隙分布为Type3型的多孔介质具有更高的强化传热效果和储能密度,在高Rayleigh数下,强大的对流换热会削弱多孔介质强化导热的作用,因此充分考虑多孔介质的高导热和自然对流引起的对流换热的共同作用对储能系统提高换热效率尤为重要。(3)针对现有固液相变模型在粗网格、高Rayleygh数或者低粘度情况下计算精度较低的问题,本文将所建立的中心距多松弛格式格子Boltzmann固液相变模型且应用于孔隙尺度下的固液相变过程,研究了三种模型在应对不同条件下的固液相变问题时的计算精准度与稳定性。在面对方腔熔化自然对流问题时,相较于256×256的网格系统,单松弛模型,多松弛模型与中心距多松弛格式模型在应用64×64的网格系统时相对误差为0.238%,0.019%和0.014%。在此基础上,本文还研究了中心距多松弛格式格子Boltzmann模型在应对孔隙尺度下相变材料的熔化过程时的准确性。当Rayleigh数为5×10～7时或者Prandtl数为0.005的条件下采用单松弛模型会导致非物理现象的热量传递的发生,而采用中心距多松弛格式模型能够有效缓解相界面效应,得到清晰的固液相界面。中心距多松弛格式格子Boltzmann模型在处理强自然对流与低粘度条件下的固液相变问题时能够展示较强的稳定性与精准度。(4)针对流动换热相变储能系统,本文建立了填充有梯度孔隙率多孔介质的格子Boltzmann流动换热固液相变模型,通过改变对流换热储能系统中的多孔介质孔隙分布以及Rayleigh数的大小对流动换热相变储能系统固液相变的影响。加入梯度孔隙分布的多孔介质能够在强化相变材料热传导的同时充分利用自然对流引起的对流换热,从而综合强化相变材料的传热速率,缩短其熔化时间。相对于纯相变材料,加入孔隙分布为type1的均匀多孔介质后熔化时间缩短了58%,而加入孔隙分布为type4的多孔介质后熔化时间缩短了63.5%。在此基础上,采用梯度孔隙分布的多孔介质会强化传热,增大潜热比,降低热积聚,再加入孔隙分布为type7的多孔介质后,最大潜热比由80.8%上升到84.5%。此外,在高Rayleigh数情况下,强大的对流换热会削弱多孔介质的强化传热效果,要根据具体的工况选择合适孔隙分布的多孔介质从而充分利用热传导与对流换热,提高储能系统换热效率的同时使温度分布更加均匀。
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