相變蓄熱技術(shù)的數(shù)值仿真及應(yīng)用

內(nèi)容概要

《相變蓄熱技術(shù)的數(shù)值仿真及應(yīng)用》是關(guān)于空間太陽(yáng)能熱動(dòng)力發(fā)電系統(tǒng)中相變蓄熱關(guān)鍵技術(shù)的專著，主要內(nèi)容來(lái)源于編者帶領(lǐng)的研究團(tuán)隊(duì)針對(duì)該領(lǐng)域開(kāi)展長(zhǎng)達(dá)20多年的系統(tǒng)研究所取得的研究成果，簡(jiǎn)要介紹了相變蓄熱技術(shù)的發(fā)展過(guò)程和典型應(yīng)用；系統(tǒng)扼要地介紹了空間太陽(yáng)能熱動(dòng)力發(fā)電系統(tǒng)總體方案、相變蓄熱技術(shù)在熱動(dòng)力發(fā)電系統(tǒng)的關(guān)鍵部件吸熱蓄熱器的應(yīng)用情況和關(guān)鍵問(wèn)題；重點(diǎn)介紹了作者及其研究團(tuán)隊(duì)在高溫相變蓄熱機(jī)理研究、相變蓄熱過(guò)程的數(shù)值仿真研究、相變蓄熱容器的強(qiáng)化傳熱研究、優(yōu)化設(shè)計(jì)及制造測(cè)試、地面相變蓄／放熱試驗(yàn)、復(fù)合相變蓄熱材料的傳熱機(jī)理研究及優(yōu)化設(shè)計(jì)等方面研究?jī)?nèi)容。

書(shū)籍目錄

第一章緒論 1.1相變蓄熱技術(shù)概述 1.1.1熱能儲(chǔ)存的方式 1.1.2相變蓄熱技術(shù)的發(fā)展過(guò)程 1.1.3相變蓄熱材料的分類和選擇 1.2相變蓄熱技術(shù)的典型應(yīng)用 1.2.1相變蓄熱在工業(yè)余熱回收中的應(yīng)用 1.2.2相變蓄熱在空調(diào)、供暖中的應(yīng)用 1.2.3相變蓄熱在建筑節(jié)能領(lǐng)域的應(yīng)用 1.2.4相變蓄熱在航天領(lǐng)域的應(yīng)用 1.3空間太陽(yáng)能熱動(dòng)力發(fā)電系統(tǒng) 1.3.1太陽(yáng)能熱動(dòng)力發(fā)電系統(tǒng)概述 1.3.2吸熱蓄熱器概述及研究進(jìn)展 1.3.3相變蓄熱過(guò)程中空穴影響的研究進(jìn)展 參考文獻(xiàn) 第二章吸熱蓄熱器方案設(shè)計(jì)與研究 2.1基本型吸熱器 2.1.1技術(shù)指標(biāo)與參數(shù) 2.1.2總體方案設(shè)計(jì) 2.1.3高溫相變蓄熱容器設(shè)計(jì)與研究 2.1.4其他主要部件的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 2.1.5吸熱器裝配 2.2熱管式吸熱器 2.2.1技術(shù)指標(biāo)及參數(shù) 2.2.2總體方案設(shè)計(jì) 2.2.3熱管單元管的設(shè)計(jì)與研究 2.2.4其他部件的研究 2.3組合相變材料吸熱器 2.3.1組合相變材料吸熱器概念的提出 2.3.2組合相變材料吸熱器的方案設(shè)計(jì)及計(jì)算實(shí)例 2.3.3組合相變材料吸熱器中的組合PCM選擇 2.3.4采用組合相變材料對(duì)吸熱器質(zhì)量輕量化的意義 參考文獻(xiàn) 第三章高溫相變蓄熱容器的數(shù)值仿真與分析 3.1固液相變問(wèn)題的解法與焓法模型 3.1.1固液相變問(wèn)題的解法概述 3.1.2焓法模型數(shù)學(xué)描述 3.2微重力條件下高溫相變蓄熱容器的二維熱分析 3.2.1邊界條件與初始條件 3.2.2PCM空穴模型 3.2.3物理模型 3.2.4控制方程的離散化與求解 3.2.5計(jì)算結(jié)果分析 3.2.6PCM容器熱應(yīng)力分析 3.3微重力條件下高溫相變蓄熱容器的三維熱分析 3.3.1物理模型 3.3.2數(shù)學(xué)模型 3.3.3邊界條件與初始條件 3.3.4PCM空穴模型 3.3.5控制方程的離散化與求解 3.3.6空穴體積變化的計(jì)算與處理 3.3.7計(jì)算結(jié)果分析 3.4重力條件下高溫相變蓄熱容器的熱分析 3.4.1考慮自然對(duì)流的數(shù)學(xué)模型 3.4.2方程的離散化 3.4.3代數(shù)方程的求解 3.4.4求解N—S方程的SIMPLE算法 3.4.5對(duì)重力條件下相變蓄熱實(shí)驗(yàn)的模擬計(jì)算與結(jié)果比較 參考文獻(xiàn) 第四章蓄熱單元管的地面實(shí)驗(yàn)研究與熱力學(xué)仿真 4.1相變蓄熱容器的研制與實(shí)驗(yàn)研究 4.1.1相變蓄熱容器的設(shè)計(jì)制造 4.1.2PCM熔化一凝固特性及物性測(cè)量實(shí)驗(yàn) 4.1.3PCM容器熱循環(huán)和相容性實(shí)驗(yàn) 4.2蓄熱單元管蓄熱性能地面模擬實(shí)驗(yàn) 4.2.1實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)設(shè)計(jì) 4.2.2實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計(jì) 4.2.3實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析 4.3蓄熱單元管蓄熱過(guò)程數(shù)值仿真 4.3.1物理模型 4.3.2蓄熱單元管數(shù)學(xué)模型 4.3.3離散方程求解 4.3.4計(jì)算結(jié)果分析 參考文獻(xiàn) 第五章填充泡沫金屬改善相變蓄熱過(guò)程的研究 5.1泡沫金屬簡(jiǎn)介 5.1.1泡沫金屬的發(fā)展歷史 5.1.2泡沫金屬的分類 5.1.3泡沫金屬的制備方法 5.1.4泡沫金屬的用途 5.2泡沫金屬基CPcM有效熱導(dǎo)率的計(jì)算與分析 5.2.1立體骨架式相分布模型 5.2.2泡沫金屬基CPCM傳熱模型 5.2.3有效熱導(dǎo)率的計(jì)算式 5.2.4實(shí)例計(jì)算與校驗(yàn) 5.2.5結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)導(dǎo)熱性能的影響 5.3蓄熱容器填充泡沫鎳的強(qiáng)化傳熱仿真計(jì)算 5.3.1新型蓄熱容器的物理模型 5.3.2數(shù)學(xué)模型 5.3.3邊界條件與初始條件 5.3.4計(jì)算結(jié)果與對(duì)比分析 5.4填充泡沫金屬改善相變蓄熱過(guò)程的地面驗(yàn)證實(shí)驗(yàn) 5.4.1新型蓄熱容器的設(shè)計(jì)制造 5.4.2地面蓄放熱實(shí)驗(yàn) 5.4.3相變蓄熱容器內(nèi)空穴分布的分析研究 參考文獻(xiàn) 附錄1方形空腔內(nèi)空氣的自然對(duì)流 附錄2金屬鎵的熔化過(guò)程 附錄3氟鹽類高溫固液相變材料選擇一覽表 附錄4高溫合金容器材料選擇一覽表 附錄參考文獻(xiàn)

章節(jié)摘錄

版權(quán)頁(yè)：   插圖：   第三章 高溫相變蓄熱容器的 數(shù)值仿真與分析 高溫相變蓄熱容器（PCM容器）是吸熱器的基本工作單元，因此對(duì)PCM容器進(jìn)行熱分析是PCM容器設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)，通過(guò)熱分析可以得到PCM容器內(nèi)詳細(xì)的溫度分布，可以了解容器內(nèi)各項(xiàng)物理過(guò)程對(duì)換熱過(guò)程的影響，以指導(dǎo)容器設(shè)計(jì)的改進(jìn)方向，并為進(jìn)行熱應(yīng)力分析提供數(shù)據(jù)。 PCM容器內(nèi)的傳熱過(guò)程是一種伴隨著相變的傳熱過(guò)程。復(fù)雜邊界條件、相變界面形狀復(fù)雜以及相變過(guò)程中可能存在多個(gè)相變界面和相變界面的運(yùn)動(dòng)是該問(wèn)題的顯著特點(diǎn)。另外，幾乎所有的氟鹽在凝固時(shí)體積發(fā)生收縮，在PCM容器內(nèi)就會(huì)形成空穴。因此，在PCM容器內(nèi)會(huì)有三種相態(tài)存在，即固態(tài)、液態(tài)和氣態(tài)（空穴內(nèi)的PCM蒸氣）。在應(yīng)用焓法求解相變換熱的計(jì)算過(guò)程中，把兩相界面看成固液兩相共存的區(qū)域，稱為糊態(tài)區(qū)，則在計(jì)算中PCM容器內(nèi)有四種相態(tài)存在，即固態(tài)、液態(tài)、糊態(tài)和PCM蒸氣。 對(duì)于1040K的黑體，80％的輻射能集中在波長(zhǎng)為0～6.5μm的范圍內(nèi)。雖然高度拋光的固態(tài)LiF—CaF2單晶對(duì)波長(zhǎng)在6.0μm以下的熱輻射的穿透率達(dá)95％，但對(duì)于PCM容器內(nèi)多晶結(jié)構(gòu)的固態(tài)LiF—CaF2而言，卻基本上是不透明的，因此固態(tài)PCM內(nèi)的熱傳遞方式主要是熱傳導(dǎo)。液態(tài)PCM內(nèi)的熱傳遞方式既包括熱傳導(dǎo)，又有對(duì)流換熱。此外，液態(tài)LiF對(duì)于波長(zhǎng)在6.5μm以下的熱輻射是半透明的。在重力條件下，在液態(tài)區(qū)內(nèi)的流動(dòng)中占主導(dǎo)地位的是自然對(duì)流，而在微重力條件下自然對(duì)流消失，占主導(dǎo)地位的是Ma—rangoni對(duì)流。Marangoni力所引起的流體對(duì)流與重力引起的自然對(duì)流相比要小一個(gè)數(shù)量級(jí)。另外，相變過(guò)程中因密度變化引起的PCM體積膨脹和收縮以及空穴內(nèi)的蒸發(fā)和凝結(jié)也會(huì)引起液體運(yùn)動(dòng)，前者比自然對(duì)流的影響小7個(gè)數(shù)量級(jí)，后者引起的液體運(yùn)動(dòng)速度在10—4cm／s的量級(jí)。LiF—CaF2共晶物的熔點(diǎn)高達(dá)1040K，在如此高的溫度下透過(guò)空穴的輻射換熱也是不可忽略的。如果空穴被液態(tài)PCM所包圍，則空穴高低溫界面間的蒸發(fā)凝結(jié)換熱將與輻射換熱相當(dāng)。 空穴的產(chǎn)生、分布和移動(dòng)是PCM容器熱分析過(guò)程中的一個(gè)難點(diǎn)。氟鹽在固液轉(zhuǎn)變時(shí)密度變化比較大，對(duì)于LiF和CaF2來(lái)說(shuō)，從液相轉(zhuǎn)變?yōu)楣滔鄷r(shí)的體積收縮率分別為23％和22％。體積收縮所產(chǎn)生的空穴在PCM容器內(nèi)如何分布，尚無(wú)成熟的理論可以引用。當(dāng)PCM發(fā)生凝固后，空穴隨著PCM體積的收縮而產(chǎn)生。在空間微重力下，按能量最小原理，空穴在Marangoni力驅(qū)動(dòng)下運(yùn)動(dòng)到最高溫度位置，即液一氣表面能最低的位置，并趨向于具有最小的表面一體積比。實(shí)際上空穴的最終分布還和鹽的種類、純度、表面張力、液態(tài)PCM對(duì)壁面的浸潤(rùn)以及冷卻速率等很多因素有關(guān)。 本章開(kāi)展了固液相變問(wèn)題的解法的研究，并以微重力條件及重力條件下PCM容器熱分析的不同實(shí)例介紹了PCM容器熱仿真分析的方法和結(jié)果分析。

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《相變蓄熱技術(shù)的數(shù)值仿真及應(yīng)用》由國(guó)防工業(yè)出版社出版。

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