中国知网查重 高校在线论文查重入口

立即检测
  • 58 元/篇
    系统说明: 知网职称论文检测AMLC/SMLC是杂志社专用系统,针对投稿论文、评审论文、学校、单位职称论文的学术不端重复率检测系统。
  • 328 元/篇
    系统说明: 知网本科论文检测PMLC是最权威的大学生毕业论文检测系统,含“大学生论文联合对比库”,国内95%以上高校使用。检测结果和学校一致!
  • 498 元/篇
    系统说明: 此系统不支持验证!可用作研究生初稿检测,相比知网VIP5.3缺少“学术论文联合对比库”,检测结果有5%左右的误差!(论文中若参考往届研究生论文,重复率误差会较大)
  • 128 元/篇
    系统说明: 大分解论文检测系统,对于想检测学术不端文献检测系统,而又价格便宜的同学可以选择,限每篇2.9万字符,结果与大学生PMLC、硕博VIP定稿系统有出入!
  • 68 元/篇
    系统说明: 知网论文小分解检测系统,适合中国知网初稿查重,数据库和定稿查重不同。结果与本科PMLC,研究生VIP5.3有出入,限每篇1.4万字符!
  • 3 元/千字
    系统说明: 学术家论文重复率检测系统,支持学位论文、毕业论文、投稿论文、职称评审论文,提供全文对照,word标红报告,性价比超高!
论文方法介绍-取水位置及顺序对热分层稳定性影响的实验研究
时间:2021-04-22 10:19:07

  储热水罐作为太阳能系统的重要组成部分,其热特性直接影响整个系统效率。用热分层能有效表征其性能好坏。不同于前人的研究角度,本文通过数值模拟方法探究了取水位置及顺序对储热水罐热分层稳定性影响。结果表明,取水位置越靠近立式水罐顶部,对储热水罐的热分层破坏程度越小,由此可以使得储热水罐内能量最大化被利用。合理的取水位置是从靠近立式水罐顶部的位置先取水,远离的立式水罐顶部的位置后取。

  我们知道,人类的发展史与能源有着密切的联系,同时能源决定着我们一切的生存活动与经济来往,国家的发展前进也需要依赖于能源的及时跟进。显而易见,能源的供给量是决定中国过去很长时间发展的重要因素之一,当然,未来我国几十年的发展对于能源的质量与数量将会是逐步上升。而且,其他能源的开采和利用都需要原有能源的耗费。年国务院发布的文件明确表示要积极发展新能源产业,加快相关核心技术的研发,降低化石能源的比重,打造新的能源结构。另外,我国拥有丰富的可再生能源,大力开发使用新能源对我国的节能减排政策实施也是有利的。

  太阳能作为可再生能源成员中的重要发展对象,受到了广泛能源领域学者的关注。大致估算,我国陆地每年可接受的太阳能辐射能约为50*1018KJ,尤其是在一些西部地区更是有着丰富的太阳能资源。甚至其在世界范围内的分布之广使得在短时间内无法枯竭。它还具有清洁、方便、无污染等特点,非常适合作为理想能源。还要强调的是,在它的可利用技术中,热利用技术是比较成熟广泛的,且产业化发展速度最快。同时在大部分边远地区,由于冬季无法实现集中供热,但地区太阳能资源较为丰富,所以太阳能的取用供热需求极为迫切。太阳能集热系统作为太阳能热利用的主要途径之一,也是目前太阳能热利用中较为成熟的技术,由此而生。

  1.2研究意义

  众所周知,太阳能能源特点是间断性、密度不高,且受地区气候等因素影响较大,再加上太阳辐射的特点与用户端的用热负荷的不一致性,使得必须在用户端加装储热水箱来提高用户用能体验及效率,然而好的储热水箱不仅要降低集热器进口温度,减少额外加热量,提高太阳能的集热效率,还要能最大程度满足用户不同的用热需求。储热水箱的优劣实际上受到的是水箱内部分层特性的影响。然而影响水箱内部热分层主要因素不仅与入口水流造成的扰动有关,还与取水口位置及顺序有很大关系,最主要的影响就是取水口。优化取水方式能有效减少水流的混合扰动,分析取水位置及取水顺序对水箱分层特性的影响,从而找到较合理的取水位置和取水顺序,使其能有效减少出水扰动,减少取水时的热损失,更长时间地、更好地维持热分层,使此时水箱内不同温度的热水所含能量将能被最大限度利用,这是我们研究的主要目的。而不当的取水位置将会导致水箱内原本的分层恶化,从而大大破坏水箱分层稳定性,直接影响用户用能。

  1.3研究现状

  1.3.1国内外研究现状

  储热技术是太阳能热水系统所有环节中的最为关键的部分,同时也是比较成熟的热利用技术。在很多领域都有着很广泛且极为重要的应用,例如,在太阳能热水系统、热电联发系统,甚至在有关热电联合含有的储热、蓄热的系统等方面。蓄热水箱在太阳能系统中的核心角色,不仅仅是为了在表面上蓄集更多的热量,还因为整个系统的效率会受到该核心部件的重要影响。所以众多学者认为储热水箱的有着很深厚的研究意义和较高的研究价值[1-3]。太阳能水箱作为整个太阳能热水系统的蓄热装置,在系统中起着储存、调节能量的作用,整个系统运行的效率会受到其热力性能直接影响。前人通过大量的研究发现,在太阳能储热水箱中存在着热分层现象,所以该水箱的用水特性会随着热分层的变化而变化,整个太阳能系统的效率和性能进而会受到其直接影响。所以有温度分层特性的太阳能水箱具有非常高的研究价值,这就是国内外学者都把它当作研究重点的原因之一。我们知道,水的密度是和温度有很大关系的,其水温越高,密度就会越低,对应的重量就越轻,这样较轻的水就会沿轴向慢慢移动到水箱上部,较重的水会移动到水箱下部,形成从上到下(或从下到上)的温度分层,但是原则上在水箱内上层水温度不会低于下层水温度。温度低的水继续去集热,温度较高的水供用户使用。这个过程对整个太阳能系统的各方面效率都是有有利的。所以它是整个太阳能热水利用技术中的最关键的一环[4]。

  韩延民等[5]指出了温度分层的衡量指标,且发现由于水箱内导流板的设置改变了其内水的流动轨道,使得水箱用水性能得到提高,此措施还减少了热量损失。孙东亮等[6]在前人基础上,通过仿真实验获得了能准确呈现供暖性能的温度分层模型。A.Castell等[7]在水箱进口处中安装了一种喇叭状的布水器前提下,做了一系列可以评判储热水箱热分层特性的参数对比实验,例如,混合数(MIX)、理查德森数(Ri)等。经过分析结果发现,其中最适合作为衡量热分层性能的指标是理查德森数(Ri)。N.Altuntop等[8]采用仿真模拟软件,发现环形折流板对整个用水效率影响最小,这也进一步证明在水箱中加装折流板结构能显著减小用水对热分层的扰动。我国上海交通大学的王如竹团队[9]将前人对热分层方面的相关探究结果总结归纳起来,并对储热水箱的特性参数进行重新整理。后来,他们基于此研发出一种可以显著减少水箱内的湍流能力损失的新型太阳能储热水箱结构,这种效果是通过在水箱内加装导流板实现的,同时进行数值建模并进行水箱温度场仿真模拟。最终发现,该新型结构较未加装导流板的传统水箱有着较为明显的热性能,后来基于此所做实验得到的结论也是对这一结果进行了很好的证明。第十二届挑战杯有些团队研究了一种特殊的热水器,这种有着既能直接取用温水,但又能节约低温预热管段水的特点,结果发现这样一种情况,经常需要从热水器中取用热水时,都必须在取到热水前放掉一部分相对冷的水,并且对于取水不便、管道铺设较复杂的用户,要求他们必须放掉很大一部分冷水,且放水所花费的时间就更加漫长。

  1.3.2研究方向及进展

  上世纪八十年代以来,为了使得系统效率更高,更节能,提高太阳能热水系统内的设备部件的性能渐渐成为人们的研究兴趣之一[10]。Panthalookaran[11]发现,可以提高整个系统的热力性能的有效途径之一是减小储热水箱的径高比。YaiciW[12]发现,逐渐增大的进水流量会严重影响水箱内原有良好的温度分层,且进水与原有水箱内工质的温差也是主要因素。王崇愿等人[13]主要通过?和能量的分析方法探讨了新式结构下入口流量对水箱温度分层性能的影响,实验发现,系统效率随着入口流量的增大而减小。并且在相关物理定律的基础上,进行了三组不同流量下的对比实验,并得到了该实验下的?效率、用水效率和取水,继续加大流量,在流量为6.17L/min时水箱原有分层遭到恶化破坏,原因是水流混合作用的影响增大。但相比2.14L/min,此三个值在69L/min的流量下有所减小。FERNANDEZ-SEARA等[14]在家用电加热热水器上展开实验,150L的储罐上分别开有两个不同取水口和3个不同入水口,所研究的起始流量为5L/min,3个流量的间隔为5L/min。并对实验结果进行了处理,得到了温度-时间曲线,通过该图线对储罐性能进行了分析。冉茂宇[15]对不同出水方式下电热水器出水时间与出水量的预测模型进行了研究。最终发现,热水器出水时间与出水量跟地区温度和用户量有着严格关系。MohammadRezaAssari[16]研究了太阳能热水器水平储罐进出水位置影响,结果表明,热水入口的适当位置可导致储水箱中更好的热分层。另外,在冷水出口的适当位置也可以提高收集器的效率,从而提高了太阳能热水器系统的性能。

  1.4本文研究工作

  1.4.1研究内容及方法

  经过诸多文献研读分析,太阳能蓄热技术已经成为了众多学者的主要研究对象,好的蓄热技术不仅会对带来好的集热效率,也会对整个用户端带来更加舒适的体验。但是大多数研究者热衷于研究水箱的单个部件。本文同样是研究单个组件对水箱热分层稳定性的影响,以便于在相同的条件下,由于所研究内容的启发,获得更好地实际价值。另外,本文将使用理论分析,数值模拟相结合的研究方法对取水位置及顺序对水箱性能的影响进行研究。具体内容如下:

  1.熟悉并学习相关衡量热分层指标的参数及公式,并做出简要介绍。

  2.在不改变出口流速的前提下,对不同的取水位置进行简单的三维数值模拟,即探究三个合理的取水位置对储热罐的原有温度分层的破坏程度,通过模拟比较所研究的取水位置对水箱分层特性的影响,从而找到较合理的取水位置,使其能有效减少取水扰动,更长时间地维持温度分层,使此时水罐内不同温度的热水所含能量能被最大限度利用。整个过程会应用ComsolMultiphyscis软件对水箱进行建立几何模型和划分网格等操作,并进行相关数据处理和实验图的合成,以便进行分析。

  3.在做完上述数值模拟的条件下,结合模拟结果,参考相关文献,对取水顺序进行理论分析,尝试找到合理的取水顺序或者建议的取水顺序。

  1.4.2创新点

  1.尽管与前人的研究方向即单个部件对水箱热分层稳定性的影响有所相似,但所研究的点不同于大多数学者,本文所研究的是取水位置及顺序对热分层稳定性影响,更加注重用户的直接体验,是储热水箱的最后一个环节。

  2.本文所研究的水箱是有实验室的老师以及师兄师姐搭建,其主要技术特征与大多数实验室以及市面上的储热水罐有所不同,例如该立式水箱的取水位置比传统水箱较多,有3个。

  第二章储热水箱热分层评价指标介绍

  一个储热水箱的好坏是直接通过太阳能系统的指标参数来反映的,例如,用能效率,但是这些衡量指标又是由热分层的好坏来间接判断的,同样热分层现象的评判也是由一些衡量指标来进行定量反映的,例如理查德森数、混合数、斜温层厚度等。

  2.1斜温层

  从集热器进入储热水罐的水经过一段时间会由于能量耗散等因素产生温度分层现象,温度较高的水由于密度变小而向上运动,温度较低的水由于密度变大而向下运动,中间温度梯度较大的区域称作斜温层。不难理解,斜温层厚度越窄水箱分层效果越好。理想状态下,斜温层的厚度为零,过渡区温度梯度无限大,此时说明水箱热分层效果最好,冷热水之间似乎存在一层隔膜。水体运动时也是推来推去,不会产生混合现象。反之,斜温层厚度越厚,分层效果越差,极端情况下,水箱整体温度基本保持一致。显然,前者所呈现的情况使我们所期望看到的。

  2.2理查德森数(Ri)

  经过查阅文献得知,前人已经通过对入口流速的研究证明,理查德森数是众多衡量水箱热分层的中最好的评判指标。现在很多实验研究都通常采用理查德森数来描述温度分层。该无量纲数Ri是是浮升力与混合力作比而得,物理意义是浮升力在混合程度下的占比。表达式如下:

  (2-1)

  其中符号作以下说明:

  ——理查德森数,无量纲;

  ——重力加速度,;

  ——流体膨胀系数,1/℃;

  ——水箱高度,;

  ——下方水箱温度,℃;

  ——上方水箱温度,℃;

  ——在水箱充能分层过程中,温度梯度垂直面上形成的每个热层的平均流速,。

  理查德森数的大小直接就可以说明分层效果的好坏,较小的理查德森数显示出水箱的混合作用较强,温度分布就越平均。反之亦然。同样,后者使我们所期望的结果。

  2.3混合数(MIX)

  混合数是前人在水箱实验的基础上,按照温度和能量分布所获得的无量纲参数,而且此过程不考虑储罐的热量散失。具体表达式为:

  (2-2)

  式中符号含义说明如下:

  ——混合数,无量纲;

  ——是与计算相关的分层彻底的动量值,是固定不变的值,·;

  ——是与计算相关的混合彻底的动量值,是固定不变的值,·;

  ——是与实验相关的实际分层情况的动量值,不是固定值,·;

  上式参数中、、的物理意义可以分别理解为分层彻底的储热水箱、混合的储热水箱、实验水箱。混合数在任何一个瞬时都会有一个确定的值,用来间接表示热分层的程度。显然,从表达式可以看出,它是在0-1的范围内进行取值的,且在两种极端情况下,即为0时,说明水箱热分层彻底,为1时,说明混合效果彻底,即热分层效果差。

  第三章数值模拟介绍及方法

  3.1ComsolMultiphyscis软件介绍

  ComsolMultiphyscis软件在各大领域应用较广,并且程序步骤通俗易懂,容易上手,因此受到世界高校,甚至知名企业的青睐。ComsolMultiphyscis软件在工业、科技等领域所创造的价值使得它在模拟软件方面一直都有非常重要的地位。另外,ComsolMultiphyscis软件不仅具有以上功能,其还具有以下特点:

  1.即学即用的操作、设置界面,控制项目完整,支持多语言,应用可以轻松掌握。

  2.具有强大且丰富的软件模型库。所包含的物理模型各具特色,且实用性很强,使用者可以在常用模型的基础上进行自由调换,直至达到用户需求。

  3.包含各种各样的建模工具,使用方便,使用者可以进行零维、一维、二维轴对称等模型的直接建立。与其它软件衔接良好,也可直接导入提前建立好的CAD模型。

  4.含有较高的网格划分手段,不仅适用不同的网格分析划分,而且移动网格的能力也可以在它上面轻松实现。

  5.大容量的计算能力,具备包含Windows、Unix等系统64位计算和匹配的处理能力。

  6.各种边界条件、丰富的材料等都可以使用相关参数进行独立控制,求解也是相同的处理能力。

  7.后处理能力也很强大,可以绘制出云图、曲线、等值面、表面等一系列可以满足用户需求的数据输出,并且带有分析能力。

  3.2数值模拟方法及步骤

  3.2.1几何建模

  本次研究的研究主体是储热水罐,储热水罐进行几何建模时设计成圆柱体形式便于取水位置及顺序对热分层影响的探究,原因是其结构简单,对于新手来说容易设计理解,且其他的结构如,长方体等结构易于形成温度、速度、压力死区,由此所形成的扰动因素增多会带来不必要的影响,同时这些扰动因素也不是此次数值模拟的主要目的。操作步骤大致如下:

  (1)选择维度。在“新建”页面中选择“模型向导”,然后再进行空间维度的选择,此次模型选择为三维,理由是热分层的探究是为了观察整个立体储罐的热特性,如果设置成其他小维度可能会使得模拟结果的不明显,不便于结果的分析。

  (2)建立坐标系。在组件中选择建立几何坐标系、材料坐标系、空间坐标系、网格坐标系等,单位制与全局坐标系形同,几何形函数阶次为自动,不作详细设置。并加入重力,重力沿着在z轴负向。

  (3)定义边界坐标系。坐标系为变形构型,第一切向创建依据是空间上的全局笛卡尔。视图中有三个不同方向的定向光源。

  (4)储罐尺寸设置。上述设置完成后开始在“几何”中建立模型。选择圆柱体,储热水罐尺寸设置为半径0.2m,高度1.4m,轴类型为z轴,工作平面选择为xy平面。然后在立式水罐的侧面与z轴垂直开三个等管径的取水口,三个取水口从z轴正向向负向依次编号为取水口1、2、3。半径均为0.02m,高度为0.1m。三个取水口的位置从上至下分别为(0,0.2,0.8)、(0,0.2,1.0)、(0,0.2,1.2)。最后形成联合体,且自动修复容差。

  (5)材料设置。内部流体为水,边界材料系统自动设定。

  (6)建模结果。形成的几何模型如下截图所示:

  图3.2.1储热水罐简化几何建模图

  3.2.2物理场设置

  若要实现实际物理场到模拟物理场的转化,不仅要对实际热分层过程的专业知识掌握全面,还要对软件中所涉及到的物理场运行模块有所了解。ComsolMultiphyscis软件的建模模块多达数十个,模块可以单独使用,也可以在模块与模块之间随意组合。每个独立的模块都包含对应的工作原理、材料库、求解器以及专门的可视化工具等。加上在不同模块下还有对应的模块帮助文件和附加模块,都可以帮助使用者设计出一个合理的解决方案。此次由于涉及到传热流体等相关专业知识,所以选择热传递模块较为合理。其可以解决热传导、热对流、热辐射以及它们共存的物理现象问题,在实际不管是医疗还是科技都发挥了很大的作用。在模块中选择的物理场为层流、流体传热、非等温流动。

  (1)流体设置。将流体(此处为水)属性设置完成,加入重力属性,手动选择好相对应的区域即可。

  (2)储热水罐设置。外壁包括取水管特征设置为无变形,无滑移,热边界条件为绝热,后续会解释设置为绝热的原因。

  (3)初始条件设置。此次探究三个工况下的储热水箱热分层特性,即每个工况从其中某一个取水口以恒定流速取相同量的热水,此时其它两个口封闭,在模拟结束后观察水罐的热分层稳定性情况。由于本人模拟基础有限,此次不作取水顺序的探究模拟实验,在此基础上结合取水位置模拟结果进行理论分析建议即可。取水口压力为近似大气压即,取水方向为取水管的轴线方向,并且抑制回流。每个工况下的流速都不变,即流速恒定为0.1。环境温度为273。为了探究取水位置对立式水罐的热分层稳定性的影响,此次模拟拟探究三个工况。每个工况下只改变取水位置这个边界条件,取相同量的水通过相同的时间步实现。另外立式水罐上顶面不封闭,且在立式水罐内的热水从取水口被取走后,都有对应层温度的水随时作补充,即假设立式水罐在模拟规定时长内顶部有源源不断的热水进入。

  3.2.3划分网格

  (1)网格划分为非结构化自由四面体,各轴缩放几何方向比例1:1:1。网格质量检查在此不作详细说明。具体大致划分如下图:

  图3.2.3(1)网格划分图

  (2)另外,本文探究的目的必须使得初始时刻具有明显的温度热分层,所以层数的设置在此处完成较为妥当,初始时刻设置温度分层数为10层,每层温度由最上层依次向下递减7,最上层温度为359.67。

  图3.2.3(2)初始时刻温度层划分图

  3.2.4求解器配置

  求解器配置所采用的编译方程为瞬态(瞬态求解器),因变量为压力、速度场、温度。每个工况下的时间步都为(0,300,6000),这样便于数据的分析对比,剩下其他设置都为物理场控制。

  上述设置成功后,开始计算整个模拟过程。

  3.2.5数据后处理及结果呈现

  数据结果应包含有三个方面:速度、压力、温度。但由于本文的探究主体为取水位置以及顺序,模拟探究为取水位置对热分层稳定性的影响,所以温度为主要的结果呈现,且为了能说明模拟结果,使得结果更具有可信度,温度云图截取的都是立式水罐的纵剖面(垂直于z轴),具体结果如下:

  t=t0t=t1

  t=t2t=t3

  图3.2.5.1(0,30,90)时间步下取水口1工况温度云图

  t=t0t=t1

  t=t2t=t3

  图3.2.5.2(0,30,90)时间步下取水口2工况温度云图

  t=t0t=t1

  t=t2t=t3

  图3.2.5.3(0,30,90)时间步下取水口3工况温度云图

  t=t0t=t1

  t=t2t=t3

  图3.2.5.4(0,300,900)时间步下取水口1工况温度云图

  t=t0t=t1

  t=t2t=t3

  图3.2.5.5(0,300,900)时间步下取水口2工况温度云图

  t=t0t=t1

  t=t2t=t3

  图3.2.5.6(0,300,900)时间步下取水口3工况温度云图

  t=t0t=t1t=t2

  t=t3t=t4

  图3.2.5.7(0,1500,6000)时间步下取水口1工况温度云图

  t=t0t=t1t=t2

  t=t3t=t4

  图3.2.5.8(0,1500,6000)时间步下取水口2工况温度云图

  t=t0t=t1t=t2

  t=t3t=t4

  图3.2.5.9(0,1500,6000)时间步下取水口3工况温度云图

  3.3本章小结

  本章对数值模拟软件进行了简要介绍,并对整个模拟步骤进行了详细说明,包括对储热水罐的初始条件设置,以及模拟过程的几何建模、物理场设置、网格划分、求解器设置等,进行了取水位置的三次时间步模拟,一共得出了9张数据图,即整个储热水罐剖面的温度云图。

  第四章结论与分析

  为了便于模拟结果的分析,本文在取水位置的三次工况下都做了三次时间步长(单位:s)的探究。下面就取水位置的三组工况得出以下结论:

  (1)从时间步为(0,30,90)的温度云图总体来看,三个取水位置对温度层的破坏都并不明显,只是对应取水口以上的温度层位置整体有所下移。原因是刚开始由于取水量小,每个取水口所取走的水只是在其附近对应温度层的一部分热水,并没有取走距离取水口较远位置的其他温度层的水,所以对整个温度层的稳定性影响并不大。

  (2)从时间步为(0,300,900)的温度云图总体来看,三个取水位置对温度层的破坏作用明显加强,在对取水口3进行取水时对储热水罐原有温度分层的破坏作用尤为强烈。原因是随着抽水量的增大,每个取水口取走的水不仅是其附近的热水,距离其较远位置的水也被取走,这时由于新的补充热水进来的重力作用使得温度层遭到破坏。且在靠近立式水罐水平中线附近(即取水口3附近)取走的大部分是中等温度水,留在水箱内的水是补充进来的高温水和未被取走的低温水,这两部分水的温差较大,会在水罐静止一段时间后发生混合作用,尽管这样也会形成新的温度分层,但是对于温度层的破坏是不可避免的,且由于温差较大的冷热水相互混合也会造成能量损失。

  (3)从时间步为(0,1500,6000)的温度云图总体来看,即随着模拟时间的进一步增加,三个取水位置对温度层的破坏作用更加明显,取水口3对温度层稳定性影响最大,然后是取水口2,取水口1次之。原因是补充热水的重力作用加强,对温度层的冲击加大,使得其稳定性变得更差。且由于模拟时间的延长,每个取水口取的大部分都是由于重力作用进来的补充热水,都无法完全取走对应取水口下方较远的水。所以就本次模拟而言,取水口位置越靠近水平中线,其上方的补充热水的量就愈大,重力作用就愈强,对储热水罐的温度分层稳定性影响就愈大。

  综上所述,该立式水罐的取水口越靠上(越远离水平中线),对热分层的稳定性影响就越小。

  尽管此次并未对取水位置进行模拟研究,但参考取水位置所得出的结论,我所做出的推断是取水顺序也应当优先考虑顺序靠前的取水口对热分层的影响,所以合理的取水顺序应当是1、2、3,即从靠近立式水罐顶部的位置先取水,远离的立式水罐顶部的位置后取。