相變蓄熱水平套管內(nèi)凝固過程的數(shù)值模擬

李啟宇等

摘 要：該文針對相變蓄熱水平套管相變過程，考慮相變區(qū)內(nèi)的自然對流效應，利用計算流體力學軟件Fluent軟件內(nèi)的凝固/融化模型對套管內(nèi)十八烷相變材料進行模擬，得到了不同時刻下套管內(nèi)傳熱流體與相變材料耦合問題的溫度場、流速場的變化規(guī)律。結(jié)論表明凝固過程開始階段，對流換熱對換熱的影響十分強烈，不能忽略不計。研究結(jié)果對蓄熱套管在工程實際中的應用具有一定的參考價值。

關(guān)鍵詞：相變蓄熱 凝固 自然對流 十八烷 數(shù)值模擬

中圖分類號：TB34 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2014）01（c）-0016-03

蓄能技術(shù)可以緩減能量在供求時間、地點、強度上的不匹配，是一項合理利用能源并減輕環(huán)境污染的有效方法，也是廣義熱能系統(tǒng)優(yōu)化運行的重要手段[1]。相變蓄熱技術(shù)利用相變材料在發(fā)生相變過程中將暫時不用或多余的熱能通過蓄熱材料儲存起來，需要時再利用，具有蓄能量高、溫度穩(wěn)定、易與運行系統(tǒng)相匹配、易控制等特點。近年來，相變蓄熱系統(tǒng)逐漸廣泛地應用于太陽能熱利用、余熱回收、空調(diào)采暖等節(jié)能領(lǐng)域，相變蓄熱裝置的研究也越來越重要。

相變傳熱過程包括了相的變化和熱傳導的兩個傳熱過程，是一個復雜的傳熱過程，在數(shù)學模型上幾乎都采用近似解和數(shù)值解[2]。康艷兵[3]等人對同心套管相變蓄熱器建立了一個簡便的傳熱模型，研究了相變材料流體溫度和相變界面隨時間和軸向位置的變化規(guī)律；田懷璋[4]等人考慮自然對流對相變換熱的影響，與硬脂酸固液相變實驗的比較表明了自然對流對相變傳熱的影響不可忽略。結(jié)果表明當考慮液相部分存在對流效應和相變溫度是一個范圍時，相比只考慮導熱得到的解析解與實驗結(jié)果更吻合。鑒于此，該文考慮相變過程對流換熱的影響，利用Fluent軟件模擬水平套管內(nèi)傳熱流體與相變材料的換熱過程。

1 物理模型以及相變材料的選擇

1.1 相變材料的選取

本文選用正十六烷作為相變材料[5]，其物性參數(shù)如表1所示。

1.2 計算區(qū)域及網(wǎng)格劃分

由于水平套管裝置沿軸向?qū)ΨQ，假設軸向同一位置上的溫度分布只與徑向半徑有關(guān)；相變網(wǎng)格的劃分，取環(huán)套管的一個截面，用Quad四邊形元素劃分，Type，選用Map映射成結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格。內(nèi)管的外徑為dn=10 mm，外徑為do=18 mm。對PCM環(huán)套管劃分的間隔尺寸取為0.4 mm，如圖1所示。

1.3 計算參數(shù)的設置

內(nèi)管為恒溫邊界條件，套管外壁為絕熱面，凝固過程內(nèi)管溫度為273K。打開Solidification/Melting模型并定義套管內(nèi)相變材料初始溫度293K。設置如下表2所示。

3 模擬結(jié)果及分析

凝結(jié)過程進行10 s、100 s、200 s、300 s時計算區(qū)域內(nèi)的溫度場和速度場如圖2～圖5所示。

圖2～圖4分別為凝固開始以后經(jīng)過10 s、100 s和200 s時候套管內(nèi)的凝固過程的溫度場分布圖。由圖2可以看出凝固開始階段（10 s），此時由于套管內(nèi)相變材料的液相率較大，由于相變密度差造成的壓力分布不平衡以及液相部分存在浮升力的作用，導致液態(tài)相變材科沿著內(nèi)管開始流動速度較大，所以對流對傳熱過程影響較大，熱量的傳遞方式以對流傳熱為主。隨著凝固過程的進行，相變材料固相率的增加，在凝固過程中由于液相部分流動速度越來越小，此時對流換熱的影響也越來越小，熱量的傳遞過程主要是以導熱為主。

從圖2～圖4中溫度場變化規(guī)律可以看出，水平套管中的相變過程近似于徑向?qū)ΨQ的變化過程，重力效應致使固相在下部開始堆積，造成上下部分凝固部隊稱，由于浮升力作用導致液相只存在與套管上部。圖3與圖4時刻對比可知，凝固過程在后期凝固過程很慢，這是由于有效傳熱面積的減小，固態(tài)工質(zhì)厚度增加至使傳熱熱阻不斷增大，液相的相變材料流動變慢所造成的。

4 結(jié)語

該文采用Fluent軟件模擬水平套管相變蓄熱凝固過程，考慮了相變材料由于固液材料的密度差及體積變化而引起的自然對流，模擬得出以下結(jié)論：

（1）模擬結(jié)果表明，在凝固過程開始階段自然對流對傳熱影響很大，隨著凝固的進行，固體厚度增加使傳熱熱阻增大，降低了凝固速度以及對流效果，而使得后期凝固速度減慢。

（2）凝固過程中由于浮升力作用導致內(nèi)管徑向上下分布不均，但幾乎是呈軸向?qū)ΨQ分布。

（3）模擬后可以將套管內(nèi)的蓄熱材料與流體傳熱過程中的溫度場、流速場變化進行可視化處理，為進一步研究這一類蓄熱裝置中更加復雜的傳熱及流動現(xiàn)象提供了有效的研究手段。

參考文獻

[1] 崔海亭，楊鋒.蓄熱技術(shù)及其應用[M].北京：化學工業(yè)出版社，2004.

[2] 程文龍，陳則韶，陳美英，等.單套管相變蓄冷器凝固過程一種簡單解法及其傳熱特性[J].工程熱物理學報，1996（17）：111-114.

[3] 康艷兵，張寅平.相變蓄熱同心套管傳熱模型和性能分析[J].太陽能學報，1999（1）：1-10.

[4] 陳林輝，田懷璋.第二類邊界條件下硬脂酸固液相變蓄能研究[J].西安交通大學報，2004，38（11）：1128-1131.

[5] P. Zhang *， Z.W. Ma，R.Z.Wang. An overview of phase change material slurries： MPCS and CHS[J].Renewable and Sustainable Energy Reviews，2010，14：598-614.

[6] Fluent Co.Fluent 6.1 tutorial guide[EB/OL].（2009-05-12）.http：//www.Cadfamily.corn/downinfo/226123.ht.endprint

摘 要：該文針對相變蓄熱水平套管相變過程，考慮相變區(qū)內(nèi)的自然對流效應，利用計算流體力學軟件Fluent軟件內(nèi)的凝固/融化模型對套管內(nèi)十八烷相變材料進行模擬，得到了不同時刻下套管內(nèi)傳熱流體與相變材料耦合問題的溫度場、流速場的變化規(guī)律。結(jié)論表明凝固過程開始階段，對流換熱對換熱的影響十分強烈，不能忽略不計。研究結(jié)果對蓄熱套管在工程實際中的應用具有一定的參考價值。

關(guān)鍵詞：相變蓄熱 凝固 自然對流 十八烷 數(shù)值模擬

中圖分類號：TB34 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2014）01（c）-0016-03

蓄能技術(shù)可以緩減能量在供求時間、地點、強度上的不匹配，是一項合理利用能源并減輕環(huán)境污染的有效方法，也是廣義熱能系統(tǒng)優(yōu)化運行的重要手段[1]。相變蓄熱技術(shù)利用相變材料在發(fā)生相變過程中將暫時不用或多余的熱能通過蓄熱材料儲存起來，需要時再利用，具有蓄能量高、溫度穩(wěn)定、易與運行系統(tǒng)相匹配、易控制等特點。近年來，相變蓄熱系統(tǒng)逐漸廣泛地應用于太陽能熱利用、余熱回收、空調(diào)采暖等節(jié)能領(lǐng)域，相變蓄熱裝置的研究也越來越重要。

相變傳熱過程包括了相的變化和熱傳導的兩個傳熱過程，是一個復雜的傳熱過程，在數(shù)學模型上幾乎都采用近似解和數(shù)值解[2]。康艷兵[3]等人對同心套管相變蓄熱器建立了一個簡便的傳熱模型，研究了相變材料流體溫度和相變界面隨時間和軸向位置的變化規(guī)律；田懷璋[4]等人考慮自然對流對相變換熱的影響，與硬脂酸固液相變實驗的比較表明了自然對流對相變傳熱的影響不可忽略。結(jié)果表明當考慮液相部分存在對流效應和相變溫度是一個范圍時，相比只考慮導熱得到的解析解與實驗結(jié)果更吻合。鑒于此，該文考慮相變過程對流換熱的影響，利用Fluent軟件模擬水平套管內(nèi)傳熱流體與相變材料的換熱過程。

1 物理模型以及相變材料的選擇

1.1 相變材料的選取

本文選用正十六烷作為相變材料[5]，其物性參數(shù)如表1所示。

1.2 計算區(qū)域及網(wǎng)格劃分

由于水平套管裝置沿軸向?qū)ΨQ，假設軸向同一位置上的溫度分布只與徑向半徑有關(guān)；相變網(wǎng)格的劃分，取環(huán)套管的一個截面，用Quad四邊形元素劃分，Type，選用Map映射成結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格。內(nèi)管的外徑為dn=10 mm，外徑為do=18 mm。對PCM環(huán)套管劃分的間隔尺寸取為0.4 mm，如圖1所示。

1.3 計算參數(shù)的設置

內(nèi)管為恒溫邊界條件，套管外壁為絕熱面，凝固過程內(nèi)管溫度為273K。打開Solidification/Melting模型并定義套管內(nèi)相變材料初始溫度293K。設置如下表2所示。

3 模擬結(jié)果及分析

凝結(jié)過程進行10 s、100 s、200 s、300 s時計算區(qū)域內(nèi)的溫度場和速度場如圖2～圖5所示。

圖2～圖4分別為凝固開始以后經(jīng)過10 s、100 s和200 s時候套管內(nèi)的凝固過程的溫度場分布圖。由圖2可以看出凝固開始階段（10 s），此時由于套管內(nèi)相變材料的液相率較大，由于相變密度差造成的壓力分布不平衡以及液相部分存在浮升力的作用，導致液態(tài)相變材科沿著內(nèi)管開始流動速度較大，所以對流對傳熱過程影響較大，熱量的傳遞方式以對流傳熱為主。隨著凝固過程的進行，相變材料固相率的增加，在凝固過程中由于液相部分流動速度越來越小，此時對流換熱的影響也越來越小，熱量的傳遞過程主要是以導熱為主。

從圖2～圖4中溫度場變化規(guī)律可以看出，水平套管中的相變過程近似于徑向?qū)ΨQ的變化過程，重力效應致使固相在下部開始堆積，造成上下部分凝固部隊稱，由于浮升力作用導致液相只存在與套管上部。圖3與圖4時刻對比可知，凝固過程在后期凝固過程很慢，這是由于有效傳熱面積的減小，固態(tài)工質(zhì)厚度增加至使傳熱熱阻不斷增大，液相的相變材料流動變慢所造成的。

4 結(jié)語

該文采用Fluent軟件模擬水平套管相變蓄熱凝固過程，考慮了相變材料由于固液材料的密度差及體積變化而引起的自然對流，模擬得出以下結(jié)論：

（1）模擬結(jié)果表明，在凝固過程開始階段自然對流對傳熱影響很大，隨著凝固的進行，固體厚度增加使傳熱熱阻增大，降低了凝固速度以及對流效果，而使得后期凝固速度減慢。

（2）凝固過程中由于浮升力作用導致內(nèi)管徑向上下分布不均，但幾乎是呈軸向?qū)ΨQ分布。

（3）模擬后可以將套管內(nèi)的蓄熱材料與流體傳熱過程中的溫度場、流速場變化進行可視化處理，為進一步研究這一類蓄熱裝置中更加復雜的傳熱及流動現(xiàn)象提供了有效的研究手段。

參考文獻

[1] 崔海亭，楊鋒.蓄熱技術(shù)及其應用[M].北京：化學工業(yè)出版社，2004.

[2] 程文龍，陳則韶，陳美英，等.單套管相變蓄冷器凝固過程一種簡單解法及其傳熱特性[J].工程熱物理學報，1996（17）：111-114.

[3] 康艷兵，張寅平.相變蓄熱同心套管傳熱模型和性能分析[J].太陽能學報，1999（1）：1-10.

[4] 陳林輝，田懷璋.第二類邊界條件下硬脂酸固液相變蓄能研究[J].西安交通大學報，2004，38（11）：1128-1131.

[5] P. Zhang *， Z.W. Ma，R.Z.Wang. An overview of phase change material slurries： MPCS and CHS[J].Renewable and Sustainable Energy Reviews，2010，14：598-614.

[6] Fluent Co.Fluent 6.1 tutorial guide[EB/OL].（2009-05-12）.http：//www.Cadfamily.corn/downinfo/226123.ht.endprint

摘 要：該文針對相變蓄熱水平套管相變過程，考慮相變區(qū)內(nèi)的自然對流效應，利用計算流體力學軟件Fluent軟件內(nèi)的凝固/融化模型對套管內(nèi)十八烷相變材料進行模擬，得到了不同時刻下套管內(nèi)傳熱流體與相變材料耦合問題的溫度場、流速場的變化規(guī)律。結(jié)論表明凝固過程開始階段，對流換熱對換熱的影響十分強烈，不能忽略不計。研究結(jié)果對蓄熱套管在工程實際中的應用具有一定的參考價值。

關(guān)鍵詞：相變蓄熱 凝固 自然對流 十八烷 數(shù)值模擬

中圖分類號：TB34 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2014）01（c）-0016-03

蓄能技術(shù)可以緩減能量在供求時間、地點、強度上的不匹配，是一項合理利用能源并減輕環(huán)境污染的有效方法，也是廣義熱能系統(tǒng)優(yōu)化運行的重要手段[1]。相變蓄熱技術(shù)利用相變材料在發(fā)生相變過程中將暫時不用或多余的熱能通過蓄熱材料儲存起來，需要時再利用，具有蓄能量高、溫度穩(wěn)定、易與運行系統(tǒng)相匹配、易控制等特點。近年來，相變蓄熱系統(tǒng)逐漸廣泛地應用于太陽能熱利用、余熱回收、空調(diào)采暖等節(jié)能領(lǐng)域，相變蓄熱裝置的研究也越來越重要。

相變傳熱過程包括了相的變化和熱傳導的兩個傳熱過程，是一個復雜的傳熱過程，在數(shù)學模型上幾乎都采用近似解和數(shù)值解[2]。康艷兵[3]等人對同心套管相變蓄熱器建立了一個簡便的傳熱模型，研究了相變材料流體溫度和相變界面隨時間和軸向位置的變化規(guī)律；田懷璋[4]等人考慮自然對流對相變換熱的影響，與硬脂酸固液相變實驗的比較表明了自然對流對相變傳熱的影響不可忽略。結(jié)果表明當考慮液相部分存在對流效應和相變溫度是一個范圍時，相比只考慮導熱得到的解析解與實驗結(jié)果更吻合。鑒于此，該文考慮相變過程對流換熱的影響，利用Fluent軟件模擬水平套管內(nèi)傳熱流體與相變材料的換熱過程。

1 物理模型以及相變材料的選擇

1.1 相變材料的選取

本文選用正十六烷作為相變材料[5]，其物性參數(shù)如表1所示。

1.2 計算區(qū)域及網(wǎng)格劃分

由于水平套管裝置沿軸向?qū)ΨQ，假設軸向同一位置上的溫度分布只與徑向半徑有關(guān)；相變網(wǎng)格的劃分，取環(huán)套管的一個截面，用Quad四邊形元素劃分，Type，選用Map映射成結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格。內(nèi)管的外徑為dn=10 mm，外徑為do=18 mm。對PCM環(huán)套管劃分的間隔尺寸取為0.4 mm，如圖1所示。

1.3 計算參數(shù)的設置

內(nèi)管為恒溫邊界條件，套管外壁為絕熱面，凝固過程內(nèi)管溫度為273K。打開Solidification/Melting模型并定義套管內(nèi)相變材料初始溫度293K。設置如下表2所示。

3 模擬結(jié)果及分析

凝結(jié)過程進行10 s、100 s、200 s、300 s時計算區(qū)域內(nèi)的溫度場和速度場如圖2～圖5所示。

圖2～圖4分別為凝固開始以后經(jīng)過10 s、100 s和200 s時候套管內(nèi)的凝固過程的溫度場分布圖。由圖2可以看出凝固開始階段（10 s），此時由于套管內(nèi)相變材料的液相率較大，由于相變密度差造成的壓力分布不平衡以及液相部分存在浮升力的作用，導致液態(tài)相變材科沿著內(nèi)管開始流動速度較大，所以對流對傳熱過程影響較大，熱量的傳遞方式以對流傳熱為主。隨著凝固過程的進行，相變材料固相率的增加，在凝固過程中由于液相部分流動速度越來越小，此時對流換熱的影響也越來越小，熱量的傳遞過程主要是以導熱為主。

從圖2～圖4中溫度場變化規(guī)律可以看出，水平套管中的相變過程近似于徑向?qū)ΨQ的變化過程，重力效應致使固相在下部開始堆積，造成上下部分凝固部隊稱，由于浮升力作用導致液相只存在與套管上部。圖3與圖4時刻對比可知，凝固過程在后期凝固過程很慢，這是由于有效傳熱面積的減小，固態(tài)工質(zhì)厚度增加至使傳熱熱阻不斷增大，液相的相變材料流動變慢所造成的。

4 結(jié)語

該文采用Fluent軟件模擬水平套管相變蓄熱凝固過程，考慮了相變材料由于固液材料的密度差及體積變化而引起的自然對流，模擬得出以下結(jié)論：

（1）模擬結(jié)果表明，在凝固過程開始階段自然對流對傳熱影響很大，隨著凝固的進行，固體厚度增加使傳熱熱阻增大，降低了凝固速度以及對流效果，而使得后期凝固速度減慢。

（2）凝固過程中由于浮升力作用導致內(nèi)管徑向上下分布不均，但幾乎是呈軸向?qū)ΨQ分布。

（3）模擬后可以將套管內(nèi)的蓄熱材料與流體傳熱過程中的溫度場、流速場變化進行可視化處理，為進一步研究這一類蓄熱裝置中更加復雜的傳熱及流動現(xiàn)象提供了有效的研究手段。

參考文獻

[1] 崔海亭，楊鋒.蓄熱技術(shù)及其應用[M].北京：化學工業(yè)出版社，2004.

[2] 程文龍，陳則韶，陳美英，等.單套管相變蓄冷器凝固過程一種簡單解法及其傳熱特性[J].工程熱物理學報，1996（17）：111-114.

[3] 康艷兵，張寅平.相變蓄熱同心套管傳熱模型和性能分析[J].太陽能學報，1999（1）：1-10.

[4] 陳林輝，田懷璋.第二類邊界條件下硬脂酸固液相變蓄能研究[J].西安交通大學報，2004，38（11）：1128-1131.

[5] P. Zhang *， Z.W. Ma，R.Z.Wang. An overview of phase change material slurries： MPCS and CHS[J].Renewable and Sustainable Energy Reviews，2010，14：598-614.

[6] Fluent Co.Fluent 6.1 tutorial guide[EB/OL].（2009-05-12）.http：//www.Cadfamily.corn/downinfo/226123.ht.endprint