，

(景德鎮(zhèn)陶瓷大學(xué)，江西 景德鎮(zhèn) 333403)

0 引言

太陽能取之不盡，用之不竭，是理想的可持續(xù)性能源，目前對(duì)太陽能利用的產(chǎn)品層出不窮，也有人對(duì)其熱性能進(jìn)行研究。馬芳芳[2]對(duì)全玻璃真空太陽極熱管進(jìn)行實(shí)驗(yàn)與CFD數(shù)值模擬研究，得出當(dāng)全玻璃真空太陽極熱管的角度50°時(shí)得到的輻射量最大；張濤[3]對(duì)全玻璃真空管太陽能熱水器進(jìn)行了數(shù)值模擬研究，得到了最佳導(dǎo)流板長度為160 cm；劉佰紅[4-5]對(duì)全玻璃太陽熱管空曬性能進(jìn)行數(shù)值模擬分析，發(fā)現(xiàn)真空度維持在10-2數(shù)量級(jí)時(shí)，全玻璃太陽熱管可以保持良好的熱性能，在空曬狀態(tài)下，真空管內(nèi)管壁面溫度分布不均勻性可以達(dá)到60 K，而外管壁面溫度分布不均勻性小于10 K；王志峰[6]對(duì)全玻璃真空管空氣集熱器管內(nèi)流動(dòng)與換熱進(jìn)行了數(shù)值模擬，發(fā)現(xiàn)插管長度在1 135 mm時(shí)，被加熱的空氣在玻璃管底形成類似平板射流，使得真空管底換熱良好。田斌守[9]對(duì)中溫太陽能集熱器研究，實(shí)現(xiàn)了以太陽能作為熱源的穩(wěn)定太陽能熱風(fēng)供熱系統(tǒng)；王飛[10]通過研究了太陽能集熱器的進(jìn)展，優(yōu)化了聚光型集熱器結(jié)構(gòu)，提高了熱利用效率；王修彥[11]對(duì)槽式太陽能聚光集熱器的傳熱數(shù)學(xué)模型進(jìn)行研究，建立了一種槽式太陽能聚光集熱器傳熱特性的數(shù)學(xué)傳熱模型，并用試驗(yàn)驗(yàn)證了該模型適用于槽式太陽能聚光集熱器的傳熱計(jì)算，蔣志杰[12]對(duì)微通道的太陽集熱器進(jìn)行研究發(fā)現(xiàn)管中心距越小，熱損越小，集熱效率越高。

根據(jù)上述研究結(jié)果，文中設(shè)計(jì)了一款可聚光式的全玻璃真空管炊具物理模型，由于其具有便攜功能，是一種很有市場(chǎng)潛力可移動(dòng)的太陽能炊具，為了了解這款設(shè)備的熱性能，應(yīng)用Fluent軟件對(duì)所設(shè)計(jì)的模型進(jìn)行了數(shù)值計(jì)算。

1 物理模型的建立

聚光式全玻璃真空管炊具主要由球形高反射罩、球形玻璃(可聚光)罩和真空管組三部分成。其工作原理是太陽光透過球形玻璃罩匯聚在真空管上表面，經(jīng)過球形高反射罩反射的太陽光匯聚在真空管下表面；投射到真空管表面的這些太陽光能轉(zhuǎn)化為熱能。為簡化數(shù)值模擬出該產(chǎn)品的熱性能，文中建立了聚光式全玻璃真空管炊具的二維模型如圖1，銅管內(nèi)直徑390 mm，真空管外直徑400 mm，玻璃管厚度3 mm,半球玻璃罩、半球反射鋁殼的直徑為840 mm，厚度為6 mm。

圖1 二維模型

2 數(shù)學(xué)模型及邊界條件

整個(gè)模型在模擬過程中傳熱方式有對(duì)流、導(dǎo)熱和輻射三種傳熱方式，所以建立的數(shù)學(xué)模型如下

(1)連續(xù)性方程

(1)

式中ρ——流體密度/kg·m-3；

t——時(shí)間/s；

u,v——速度矢量在x，y方向的分量/m·s-1。

(2)動(dòng)量方程

(2)

(3)

ρFx，ρFy——單位體積上質(zhì)量力/Pa。

(3)能量方程

(4)

式中Cp——比熱容/J·(kg·K)-1；

T——溫度/K；

k——流體的傳熱系數(shù)/W·(m2·K)-1；

ST——流體內(nèi)熱源及由于流體黏性作用機(jī)械能轉(zhuǎn)化為熱能的部分熱量/J。

(4)DO輻射模型傳遞方程

(5)

s——沿程長度；

α——吸收系數(shù)；

n——折射系數(shù)；

σs——散射系數(shù)；

σ——波爾茲曼常數(shù)；

T——當(dāng)?shù)販囟龋?/p>

φ——相位函數(shù)；

Ω′——空間立體角；

α+σs——介質(zhì)的光學(xué)深度。

(5)邊界條件

當(dāng)t=0時(shí)，q=0，t=t0

(6)

當(dāng)t>0時(shí)，q=q0

(7)

式中t0——環(huán)境初始溫度；

q0——球形玻璃罩表面的太陽輻照度。

3 數(shù)值模擬

文中主要采用二維模型進(jìn)行數(shù)值計(jì)算，將創(chuàng)建二維物理模型網(wǎng)格劃分進(jìn)行離散處理，網(wǎng)格化分如圖2所示，選用了網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)數(shù)為3353的網(wǎng)格進(jìn)行數(shù)值計(jì)算。

圖2 網(wǎng)格劃分

3.1 計(jì)算方法

采用SIMPLEC算法求解，動(dòng)量和能量采用二階迎風(fēng)離散格式求解，環(huán)境溫度設(shè)置為300 K；太陽輻照度分別設(shè)定在900～1 000 W/m2，采用離散坐標(biāo)DO輻射模型進(jìn)行數(shù)值計(jì)算，因?yàn)榇溯椛淠Ｐ褪鞘褂梅秶畲蟮哪Ｐ停梢杂?jì)算光學(xué)厚度的輻射問題；在相同熱流密度的情況下每隔1 h計(jì)算一次，總共模擬六次，然后分析輻照強(qiáng)度、加熱時(shí)間對(duì)溫度分布的影響。

3.2 計(jì)算結(jié)果圖

(1)900 W/m2不同時(shí)間段的溫度場(chǎng)分布

圖3 1 h溫度場(chǎng)分布

圖4 2 h溫度場(chǎng)分布

圖5 3 h溫度場(chǎng)分布

圖6 4 h溫度場(chǎng)分布

圖3是照射1 h后的模擬結(jié)果，最高溫度能達(dá)到332.84 K，最高升溫305.99 K；圖4是照射2 h后的模擬結(jié)果，最高溫度能達(dá)到340.10 K，最高升溫313.25 K；圖5是照射3 h后的模擬結(jié)果，最高溫度能達(dá)到344.46 K，最高升溫317.62 K；圖6是照射4 h后的模擬結(jié)果，最高溫度能達(dá)到347.52 K，最高升溫320.66 K；圖7是照射5 h后的模擬結(jié)果，最高溫度能達(dá)到349.843 K，最高升溫322.99 K；圖8是照射6 h后的模擬結(jié)果最高溫度能達(dá)到355.704 K，最高升溫328.85 K。

圖7 5 h溫度場(chǎng)分布

圖8 6 h溫度場(chǎng)分布

圖9 1 h溫度場(chǎng)分布

圖10 2 h溫度場(chǎng)分布

圖11 3 h溫度場(chǎng)分布

圖12 4 h溫度場(chǎng)分布

圖13 5 h溫度場(chǎng)分布

圖14 6 h溫度場(chǎng)分布

(2)950 W/m2不同時(shí)間段的溫度場(chǎng)分布

圖9是照射1 h后的模擬結(jié)果，最高溫度能達(dá)到334.322 K，最高升溫307.47 K；圖10是照射2 h后的模擬結(jié)果，最高溫度能達(dá)到341.934 K，最高升溫315.07 K；圖11是照射3 h后的模擬結(jié)果，最高溫度能達(dá)到346.559 K，最高升溫319.71 K；圖12是照射4 h后的模擬結(jié)果，最高溫度能達(dá)到349.845 K，最高升溫323 K；圖13是照射5 h后的模擬結(jié)果，最高溫度能達(dá)到352.384 K，最高升溫325.53 K；圖14是照射6 h后的模擬結(jié)果，最高溫度能達(dá)到354.442 K，最高升溫327.59 K。

圖15 1 h溫度場(chǎng)分布

圖16 2 h溫度場(chǎng)分布

圖17 3 h溫度場(chǎng)分布

圖18 4 h溫度場(chǎng)分布

圖19 5 h溫度場(chǎng)分布

圖20 6 h溫度場(chǎng)分布

(3)1 000 W/m2不同時(shí)間段的溫度場(chǎng)分布

圖15是照射1 h后的模擬結(jié)果，最高溫度能達(dá)到335.678 K，最高升溫308.83 K；圖16是照射2 h后的模擬結(jié)果，最高溫度能達(dá)到343.449 K，最高升溫3 166.60 K；圖17是照射3 h后的模擬結(jié)果，最高溫度能達(dá)到348.072 K，最高升溫311.22 K；圖18是照射4 h后的模擬結(jié)果，最高溫度能達(dá)到351.309 K，最高升溫324.46 K；圖19是照射5 h后的模擬結(jié)果，最高溫度能達(dá)到353.759 K，最高升溫326.91 K；圖20是照射6 h后的模擬結(jié)果，最高溫度能達(dá)到355.704 K，最高升溫328.85 K。

3.3 數(shù)值計(jì)算結(jié)果分析

從所述溫度場(chǎng)分布云圖可以看出，真空管兩端上部空間區(qū)域溫度最高，水和空氣的溫度場(chǎng)均勻分布；在球形玻璃罩附近的介質(zhì)(空氣)溫度場(chǎng)縱向分布，并且越靠近球形玻璃罩的縱向中軸位置溫度越低。而在高反射球形殼附近的介質(zhì)(空氣)溫度場(chǎng)分布橫向分布，并且隨著時(shí)間的推移，這一區(qū)域的溫度場(chǎng)分布由均勻分布到不均勻分布再到均勻分布，在球形高反射殼的溫度從其上部空間到貼近在其表面逐次遞減。真空管內(nèi)的介質(zhì)(水)溫度場(chǎng)橫向分布，并且越靠近真空管中心位置的溫度越低，其上表面的溫度要高于下表面的溫度，下表面溫度要高于真空管中心的溫度。

圖21 不同輻照量不同時(shí)刻最高溫度

結(jié)合上述得到的數(shù)值計(jì)算結(jié)果，通過相關(guān)軟件數(shù)據(jù)擬合得到了輻照強(qiáng)度、最高溫度和時(shí)間三者之間的關(guān)系曲線圖(如圖21)，其中縱坐標(biāo)表示最高溫度，橫坐標(biāo)表示輻照時(shí)間；由圖可知，在這三種輻照強(qiáng)度照射下，最高溫度隨著時(shí)間變化曲線規(guī)律(在同一輻照強(qiáng)度下，最高溫度隨著輻照時(shí)間的增加而增加，并且最高溫度的增長速率隨著輻照時(shí)間的增加而逐漸降低)相似，規(guī)律曲線的數(shù)學(xué)表達(dá)式圖21所示；最高溫度隨著輻照強(qiáng)度增加而增加，且升溫梯度隨著輻照強(qiáng)度的增加而逐漸降低。

4 結(jié)論

(1)通過對(duì)聚光式全玻璃太陽能真空管炊具熱性能數(shù)值計(jì)算，在真空玻璃管兩端溫度高，中間溫度低，在室外溫度為300 K時(shí)，輻照強(qiáng)度為1 000 W/m2，真空管內(nèi)最高溫度354 K。

(2)通過對(duì)聚光式全玻璃太陽能真空管炊具熱性能數(shù)值計(jì)算，最高溫度隨著輻照強(qiáng)度的增加而增加，最高溫度隨著時(shí)間不斷升高，并且溫度增長速率越來越慢。

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