吳國玉，胡明輔，袁 江，畢二朋

(昆明理工大學(xué) 太陽能工程研究所，云南 昆明650500)

0 引言

近年來，太陽能熱利用系統(tǒng)的主要研究發(fā)展任務(wù)是降低太陽能集熱器的生產(chǎn)制造成本，簡化設(shè)備安裝，提高系統(tǒng)運行效率和可靠性。在太陽能低溫利用系統(tǒng)中，決定成本和效率的關(guān)鍵部件是平板集熱器;而在建筑采暖、通風(fēng)、農(nóng)產(chǎn)品干燥、除濕等實際工程應(yīng)用中，目前采用的是平板型太陽能空氣集熱器［1］。隨著計算機技術(shù)的快速發(fā)展，越來越多的學(xué)者通過計算機數(shù)值模擬軟件對集熱器集熱性能及參數(shù)間的關(guān)系進行了大量的研究分析。在太陽能空氣集熱器集熱性能研究領(lǐng)域中CFD得到了相關(guān)應(yīng)用。

CFD是通過計算機進行數(shù)值計算和圖像顯示，分析流體流動和傳熱等相關(guān)物理現(xiàn)象的一種數(shù)值模擬分析方法。因為其簡單便捷，可快速得到數(shù)值模擬結(jié)果;并可以通過簡化物理模型，使問題求解變得容易，使模擬最大限度的接近于真實［2－3］;可以直觀看到集熱器內(nèi)部的流場和溫度場分布，比實驗研究所測試的數(shù)據(jù)要詳細(xì)。

Arulanandam［4］等人通過CFD方法對吸熱板上的圓孔進行了研究，并得到吸熱板效率的相關(guān)性方程。張立平［5］等人根據(jù)簡化的數(shù)學(xué)模型，利用CFD軟件對太陽能空氣集熱器內(nèi)部流場進行了數(shù)值模擬，并得到了集熱器較好的運行工況。王崇杰［6］等人在CFD數(shù)值模擬的基礎(chǔ)上，制作了幾種滲透型太陽能空氣集熱器實驗?zāi)Ｐ?，對其送風(fēng)溫度、太陽輻射強度和熱效率進行了模擬研究。彭冬根［7］等人運用CFD軟件模擬圓柱陣列集熱器內(nèi)的流場、溫度場分布情況;通過模擬數(shù)據(jù)分析，得出圓柱陣列式空氣集熱器的對流換熱準(zhǔn)則方程。丁剛［8］等人利用CFD模擬軟件對傳統(tǒng)平板太陽能空氣集熱器的流道進行了改進研究;研究表明:改進后的集熱器內(nèi)部流場和溫度場分布均勻，集熱器出口流體溫度明顯提高。胡建軍［9］等人利用CFD模擬軟件對折流板型太陽能空氣集熱器進行了分析研究，通過改變集熱器流道內(nèi)部結(jié)構(gòu)及運行參數(shù)對其進行數(shù)值優(yōu)化;模擬結(jié)果表明:集熱器流道內(nèi)安置折流板，可有效提高空氣集熱器的集熱效率。

本文利用CFD軟件對整體式太陽能空氣集熱器進行數(shù)值模擬計算，得到集熱器進口流體流速、流體溫度、太陽輻照度對集熱器集熱效率、沿程溫度分布、出口溫度的影響關(guān)系。以期可以為整體式太陽能空氣集熱器的設(shè)計、優(yōu)化、選型提供理論參考依據(jù)。

1 物理模型

整體式太陽能空氣集熱器幾何結(jié)構(gòu)模型主要由集熱器主體、集熱器進口、集熱器出口、集熱器吸熱板等四部分組成。由于三維建模，可以使物理模型以及內(nèi)部流體流動更為真實，更符合實際情況。因此，創(chuàng)建三維整體式太陽能空氣集熱器幾何模型。

圖1是整體式太陽能空氣集熱器示意圖。整體式太陽能空氣集熱器的進口和出口位于流道的兩端，空氣可以均勻流過吸熱板，內(nèi)部基本不存在空氣流動滯留區(qū)域，空氣流動通暢，阻力較小，吸熱板與空氣對流換熱充分。該示意圖的集熱器底板和邊框由酚醛樹脂保溫材料構(gòu)成。其相關(guān)尺寸為長X=15 m，寬Y=2 m，高Z=0.2 m;集熱器進出口尺寸為長L=0.4 m，寬W=0.15 m，吸熱板厚2 mm，翅片尺寸0.6 m，翅片間距0.2 m，翅片數(shù)n=15。選擇六面體網(wǎng)格單元類型，采取Submap劃分方法，即將不規(guī)則的區(qū)域劃分為六面體結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，并在每個區(qū)域上生成規(guī)則網(wǎng)格;對壁面附近進行加密處理，滿足y+=30［10］;整體式太陽能空氣集熱器具有流場對稱性好的特點。

圖1 整體式太陽能空氣集熱器物理模型及網(wǎng)格劃分

2 數(shù)值模擬及分析

建立整體式太陽能空氣集熱器數(shù)學(xué)物理模型，對不同工況下的太陽能空氣集熱器的工作狀況進行數(shù)值模擬;在模擬過程中，作者對邊界條件設(shè)定了一定的變化范圍，研究整體式太陽能空氣集熱器在全新風(fēng)工況下的集熱性能及其影響因素。

模擬采用的邊界條件設(shè)置如下:進口為空氣速度入口;出口為自由出流;集熱器側(cè)面和背面作絕熱處理;吸熱板作為內(nèi)熱源，恒定熱流密度等效于太陽輻射能;吸熱板表面換熱系數(shù)20 W/m2·K;吸熱板與集熱器內(nèi)部計算區(qū)域(空氣)的共同邊界采用耦合邊界條件;選擇Fluent6.3內(nèi)置的k－ε湍流模型。同時激活能量方程，使用(Pressure Based)分離式求解器，穩(wěn)態(tài)隱式(Implicit)格式求解;速度壓力耦合方式采用基于交錯網(wǎng)格的SIMPLE算法的數(shù)值求解方法。在方程進行離散時，對壓力項、對流項和擴散項都選用一階迎風(fēng)格式。為保證解的收斂穩(wěn)定性及精度，可以將殘差的精度控制均設(shè)為10－3。

2.1 湍流模型

標(biāo)準(zhǔn)k－ε模型為雙方程模型，是目前應(yīng)用最為廣泛的雙方程湍流模型。在關(guān)于湍動能k的方程的基礎(chǔ)上，再引入一個關(guān)于湍動耗散率ε的方程，便形成了標(biāo)準(zhǔn)k－ε方程模型［11－12］。在模型中，表示湍動耗散率的ε定義為

湍動黏度μt可表示成k和ε的函數(shù)，即

在標(biāo)準(zhǔn)k－ε方程模型中，k和ε是兩個基本未知量，與之相對應(yīng)的輸運方程為

式中Gk——由平均速度梯度引起的湍動能k的產(chǎn)生項;

Gb——由浮升力引起的湍動能k的產(chǎn)生項;

YM——可壓縮湍流中脈動膨脹對總的耗散率的影響;

Prt——湍動普朗特數(shù)，在標(biāo)準(zhǔn)k－ε模型中可取Prt=0.85;

gi——重力加速度在第i方向上的分量;

β——熱膨脹系數(shù);

Mt——湍流Mach數(shù);

a——聲速;

C1ε、C2ε、C3ε——經(jīng)驗常數(shù)，取值分別為C1ε=1.44、C2ε=1.92、C3ε=0.09;

σk、σε——湍動能和湍動耗散率對應(yīng)的普朗特數(shù)，取值分別為 σk=1.0、σε=1.3。

2.2 數(shù)值模擬過程及分析

在太陽輻照度為600 W/m2，進口空氣溫度為288 K情況下，通過改變集熱器進口流體流速分別進行模擬。集熱器進口空氣速度分別為1 m/s、2 m/s、3 m/s、4 m/s;圖2是四種不同集熱器進口流體流速下集熱器內(nèi)部溫度場分布圖。

從圖2集熱器內(nèi)部溫度場中可以看出:當(dāng)集熱器流道內(nèi)的空氣流速過小時，在集熱器出口處雖然會產(chǎn)生較高溫度的熱空氣，但是由于流體流速過小，造成集熱器吸熱板局部溫度過高，熱損失過大，導(dǎo)致集熱器的熱效率偏低。當(dāng)進口空氣速度為4 m/s時，流道內(nèi)的流體溫度分布比較均勻，空氣在集熱器沿程流動方向上溫度逐漸升高，溫度梯度比較明顯，是因為空氣與吸熱板進行了較為充分的換熱。從圖3可以看出:當(dāng)流體流速較小時，增大流體流量，可以迅速提高集熱器的集熱效率。隨著流體流速的增大，集熱器出口單位體積流體帶走吸熱板的熱量減小，集熱器出口流體溫度降低，集熱器的集熱效率提高幅度緩慢，并趨于穩(wěn)定。因此，整體式太陽能空氣集熱器的流體流速存在最佳值。

圖2 不同集熱器進口流體流速下集熱器內(nèi)部溫度場分布

圖3 集熱效率與進口流體流速間的關(guān)系曲線

在太陽輻照度為600 W/m2，進口空氣流速為4 m/s情況下，通過改變集熱器進口流體溫度分別進行模擬。集熱器進口空氣溫度分別為278 K、283 K、288 K、293 K;圖4是四種不同集熱器進口流體溫度下集熱器內(nèi)部溫度場分布圖。

圖4 不同集熱器進口流體溫度下集熱器內(nèi)部溫度場分布

從圖4的集熱器內(nèi)部溫度場中可以看出:流體在集熱器內(nèi)部沿程流動方向上，載熱工質(zhì)空氣溫度逐漸升高;從圖5可以看出:隨進口流體溫度的升高，集熱器的集熱效率有下降的趨勢;主要原因是進口空氣溫度越高，載熱工質(zhì)空氣與吸熱板之間的傳熱溫差越小，從而降低集熱器內(nèi)部吸熱板與載熱流體間的對流換熱系數(shù)，造成集熱器集熱性能下降。

圖5 集熱效率與進口流體溫度的關(guān)系曲線

在集熱器進口空氣流速為4 m/s，進口溫度為288 K情況下，通過改變太陽輻照強度分別進行模擬。太陽輻照強度分別為500 W/m2、600 W/m2、700 W/m2、800 W/m2;圖6是四種不同太陽輻射強度下集熱器內(nèi)部溫度場分布圖。

圖6 不同太陽輻射強度下集熱器內(nèi)部溫度場分布

從圖6的集熱器內(nèi)部溫度場中可以看出:當(dāng)太陽輻射強度增大時，集熱器吸收轉(zhuǎn)換的太陽輻射量增加，集熱器吸熱板溫度升高;在吸熱板溫度升高的同時，集熱器吸收轉(zhuǎn)換的太陽輻射量減弱。從圖7中可以看出:集熱器的集熱效率隨太陽輻射強度的波動很小，說明整體式太陽能空氣集熱器的集熱效率與其自身內(nèi)部結(jié)構(gòu)，及運行參數(shù)有關(guān)，受太陽輻射強度影響不大。

圖7 集熱效率與太陽輻射強度間的關(guān)系曲線

2.3 數(shù)值模擬結(jié)果

從圖8的集熱器內(nèi)部溫度場分布可以看出:在太陽輻射強度、進口空氣溫度一樣的條件下，流道內(nèi)的空氣溫度隨集熱器進口空氣速度的增加而降低;從圖9的集熱器內(nèi)部溫度場分布圖可以看出:在太陽輻射強度、空氣進口速度一樣的條件下，集熱器出口的空氣溫度隨進口空氣溫度的升高而增大。

圖8 不同集熱器進口流體流速下集熱器溫度場分布

圖9 不同集熱器進口流體溫度下集熱器溫度場分布

3 結(jié)論

通過CFD軟件對整體式太陽能空氣集熱器進行數(shù)值模擬計算，分別模擬了集熱器進口流體流量、流體溫度、太陽輻射強度對集熱器集熱效率的影響。模擬的數(shù)值結(jié)果，經(jīng)過處理后得到了多條關(guān)系曲線。研究結(jié)果表明:整體式太陽能空氣集熱器的集熱效率在流體流速較小時，通過提高進口流體流速可以明顯提高集熱器的集熱性能;隨進口空氣溫度的升高，集熱器出口流體溫度隨之升高，但由于環(huán)境熱損增大，導(dǎo)致集熱器集熱性能降低;隨太陽輻射度的波動很小，受太陽輻射強度的影響不大。

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