朱瑞，劉云亮，王佳典，馬興宇

（中國(guó)船舶集團(tuán)有限公司 第七〇三研究所，哈爾濱 150078）

0 引言

在“2030年碳達(dá)峰、2060年碳中和”的國(guó)家愿景下，儲(chǔ)能的重要性和地位愈加凸顯。作為儲(chǔ)能技術(shù)的一個(gè)重要分支，儲(chǔ)熱市場(chǎng)亦將迎來(lái)更廣闊的發(fā)展空間。固態(tài)儲(chǔ)熱產(chǎn)品是一種新型的電儲(chǔ)熱系統(tǒng)，利用低谷電、棄風(fēng)、棄光、棄水電能，將有效能源轉(zhuǎn)化為熱能儲(chǔ)存在固態(tài)儲(chǔ)熱材料中，并持續(xù)向采暖系統(tǒng)或熱水系統(tǒng)均衡釋放，是一種具備區(qū)域24 h連續(xù)供熱能力的新型熱源。既可以有效利用廉價(jià)的低谷電，大幅度降低運(yùn)行費(fèi)用，實(shí)現(xiàn)了削峰填谷，同時(shí)也能夠有效緩解新能源電力消納和調(diào)峰壓力，實(shí)現(xiàn)了低碳清潔環(huán)保供暖，符合國(guó)家和地區(qū)政策，是電能替代的中堅(jiān)力量，未來(lái)發(fā)展前景廣闊。

風(fēng)場(chǎng)是固態(tài)儲(chǔ)熱裝置流動(dòng)和傳熱特性過程中必不可少的重要結(jié)構(gòu)，采用傳統(tǒng)風(fēng)場(chǎng)結(jié)構(gòu)，裝置在放熱過程中，整個(gè)固態(tài)儲(chǔ)熱材料下端較上端熱風(fēng)流動(dòng)頻繁，導(dǎo)致出現(xiàn)固態(tài)儲(chǔ)熱材料層下端比上端降溫快的現(xiàn)象，裝置流動(dòng)效果差及傳熱效率低，影響固態(tài)儲(chǔ)熱裝置儲(chǔ)熱材料整體利用效率和增加了運(yùn)維成本。

借鑒汽車行業(yè)中對(duì)中冷器的性能分析及結(jié)構(gòu)優(yōu)化，應(yīng)用到固態(tài)儲(chǔ)熱裝置的風(fēng)場(chǎng)結(jié)構(gòu)優(yōu)化，亦可分析風(fēng)場(chǎng)熱風(fēng)流動(dòng)及傳熱性能情況，進(jìn)而提升裝置儲(chǔ)熱材料整體利用效率和降低運(yùn)維成本。

針對(duì)以上情況，利用SolidWorks軟件建立風(fēng)場(chǎng)的三維模型，應(yīng)用ICEM軟件對(duì)模型簡(jiǎn)化清理并進(jìn)行網(wǎng)格劃分，再通過FLUENT軟件對(duì)固態(tài)儲(chǔ)能裝置氣體的風(fēng)場(chǎng)不同尺寸形式進(jìn)行模擬計(jì)算，并在仿真結(jié)果的基礎(chǔ)上對(duì)中固態(tài)儲(chǔ)能裝置氣體的流動(dòng)和傳熱特性進(jìn)行分析研究，同時(shí)與原風(fēng)場(chǎng)模擬分析相比較，總結(jié)不同尺寸的風(fēng)場(chǎng)對(duì)裝置內(nèi)部溫度分布的影響，固態(tài)儲(chǔ)能裝置風(fēng)場(chǎng)結(jié)構(gòu)優(yōu)化是本文的主要研究方向。

1 初始模型建立

1.1 模型選擇

在ANSYS軟件中建立初始仿真計(jì)算模型，進(jìn)行仿真初步模擬，試驗(yàn)臺(tái)和蓄熱磚簡(jiǎn)化模型如圖1、圖2所示。為了使優(yōu)化方案盡可能不對(duì)支架造成影響，保證進(jìn)風(fēng)口及底部邊不變，對(duì)a、b、c、d四邊進(jìn)行優(yōu)化（進(jìn)出風(fēng)口處斜導(dǎo)風(fēng)板隨a、b、c、d變化），將9個(gè)風(fēng)道從上到下依次編號(hào)為1～9（如圖2），對(duì)各個(gè)風(fēng)道中心線處的流速進(jìn)行計(jì)算。

圖1 固態(tài)裝置簡(jiǎn)圖

圖2 固態(tài)裝置簡(jiǎn)化模型圖

1.2 湍流模型的選擇

湍流模型主要有SA模型、k-e模型、k-w模型和雷諾應(yīng)力模型，而能夠很好地適用本裝置的只有k-e模型和雷諾應(yīng)力模型。k-e模型廣泛地被應(yīng)用到工程仿真計(jì)算中，它能夠很好地處理可壓縮和不可壓縮氣體的湍流仿真計(jì)算。模型中的修正系數(shù)通過大量試驗(yàn)數(shù)據(jù)擬合而成，可以處理包括壓縮性、黏性加熱等多種物理現(xiàn)象。

2 結(jié)構(gòu)仿真分析

2.1 原風(fēng)場(chǎng)模擬分析

采用ANSYS FLUENT軟件進(jìn)行數(shù)值設(shè)定。數(shù)值計(jì)算過程中，采用流量進(jìn)口條件，無(wú)滑移邊界條件，蓄熱磚空腔壁面溫度為800 ℃，設(shè)定進(jìn)口速度Uin分別為1.2、2.4、3.6、4.8 m/s，導(dǎo)風(fēng)場(chǎng)壁面為絕熱無(wú)滑移邊界條件。采用表1原始參數(shù)。采用k-e 湍流模型對(duì)其進(jìn)行數(shù)值計(jì)算。

表1 原始參數(shù)表

圖3 原固態(tài)裝置簡(jiǎn)化模型圖

經(jīng)過軟件仿真計(jì)算，圖4各風(fēng)道中線處速度分布，給出了原風(fēng)場(chǎng)的數(shù)值模擬結(jié)果，從表2 中可以看出，相同進(jìn)口風(fēng)速下，通道1和通道9下端較上端熱風(fēng)流動(dòng)頻繁，導(dǎo)致出現(xiàn)固態(tài)儲(chǔ)熱材料層下端比上端降溫快的現(xiàn)象，同時(shí)在風(fēng)速為4.8 m/s時(shí)，最大差值為1.9875 m/s, 且裝置整體風(fēng)道內(nèi)風(fēng)速遠(yuǎn)低于進(jìn)口風(fēng)速。

表2 分析結(jié)果 m/s

圖4 速度分布云圖

可見風(fēng)場(chǎng)結(jié)構(gòu)對(duì)風(fēng)速的影響極大，因此優(yōu)化的目標(biāo)是提高風(fēng)場(chǎng)1和2流速并盡量使各個(gè)風(fēng)道流速接近。

2.2 針對(duì)原風(fēng)場(chǎng)結(jié)構(gòu)優(yōu)化模擬分析

設(shè)定與原風(fēng)場(chǎng)模擬分析相同的ANSYS FLUENT軟件參數(shù)數(shù)值。對(duì)結(jié)構(gòu)a、b數(shù)值進(jìn)行表3的模擬分析，并與原結(jié)構(gòu)(a=250 mm，b=200 mm)進(jìn)行對(duì)比，并生成速度云圖（如圖5）和各風(fēng)道中線處速度分布（如圖6），通過改變a邊長(zhǎng)度，風(fēng)道流速顯著增加，但是會(huì)使最下方風(fēng)道的流速略微減小；減小b邊的長(zhǎng)度可以使最上方風(fēng)道的流速增加，但是同樣會(huì)使最下方風(fēng)道的流速減小。需要注意的是，b邊的長(zhǎng)度太小時(shí)，進(jìn)入風(fēng)道1下方風(fēng)道的氣流會(huì)形成類似最上方風(fēng)道的流量大大減小。

表3 變量參數(shù)表

圖5 a=0 mm，b=100 mm邊變化時(shí)的速度云圖

圖6 a=0 mm，b=100 mm邊變化時(shí)各風(fēng)道中線處速度分布

如表4所示，在表3基礎(chǔ)上改變c、d邊的長(zhǎng)度，圖7與圖8給出了c、d邊變化時(shí)的導(dǎo)風(fēng)罩?jǐn)?shù)值模擬結(jié)果。經(jīng)過對(duì)比分析可以看出，c邊變化時(shí)，上方風(fēng)道出口空間狹小，出口氣流摻混作用顯著增強(qiáng)，從而使上方風(fēng)道氣流速度下降，d邊變化時(shí)的導(dǎo)風(fēng)罩?jǐn)?shù)值模擬結(jié)果。經(jīng)過對(duì)比可以看出，增大d邊長(zhǎng)度可以增大上方風(fēng)道內(nèi)空氣流速，減小下方風(fēng)道內(nèi)空氣流速。

圖7 c=250 mm，d=200 mm邊變化時(shí)的速度云圖

圖8 c=250 mm，d=200 mm邊變化時(shí)的各風(fēng)道中線處速度分布

表4 變量參數(shù)表

3 試驗(yàn)評(píng)估

針對(duì)原風(fēng)場(chǎng)結(jié)構(gòu)優(yōu)化模擬分析，總結(jié)風(fēng)道內(nèi)空氣流速變化特點(diǎn)：1）對(duì)于進(jìn)風(fēng)口處導(dǎo)流風(fēng)場(chǎng)而言，減小a邊長(zhǎng)度與減小b邊長(zhǎng)度均可以相對(duì)提高上方風(fēng)道內(nèi)空氣流速，而下方風(fēng)道內(nèi)空氣流速會(huì)相對(duì)降低；2）對(duì)于出風(fēng)口處導(dǎo)流風(fēng)場(chǎng)而言，減少c邊長(zhǎng)度與減小d邊長(zhǎng)度均會(huì)使上方風(fēng)道內(nèi)空氣流速相對(duì)降低，下方風(fēng)道內(nèi)空氣流速相對(duì)提高；3）9號(hào)風(fēng)道(即最下方風(fēng)道)內(nèi)空氣流速一直處于一個(gè)相對(duì)較低的水準(zhǔn)。

在對(duì)上述四邊進(jìn)行優(yōu)化時(shí)，可以顯著改變上方風(fēng)道內(nèi)流速的大小，而由于9號(hào)風(fēng)道的進(jìn)出口均離空氣的進(jìn)出口較近，僅對(duì)a、b、c、d四邊進(jìn)行優(yōu)化時(shí)，9號(hào)風(fēng)道相對(duì)流速的變化較小。

經(jīng)過對(duì)a、b、c、d尺寸的反復(fù)迭代及比對(duì)，最終確定a=0 mm，b=100 mm，c=250 mm，d=200 mm，底部邊長(zhǎng)均為400 mm。

4 優(yōu)化方案試驗(yàn)

進(jìn)行與軟件模擬分析相同的實(shí)際試驗(yàn)測(cè)試方案，同時(shí)在蓄熱體內(nèi)設(shè)置溫度測(cè)點(diǎn)，實(shí)際采集5個(gè)區(qū)域的流道內(nèi)平均空氣流速，分別記為V1～V5。

由表5可以看出，試驗(yàn)測(cè)試風(fēng)場(chǎng)進(jìn)出風(fēng)速在相同進(jìn)口風(fēng)速下，通道1和通道5上端和下端熱風(fēng)流動(dòng)均勻，在風(fēng)速為4.8 m/s時(shí)，最大差值為0.2493 m/s,且整體風(fēng)道風(fēng)速與優(yōu)化方案軟件分析數(shù)據(jù)接近。

圖9 優(yōu)化方案試驗(yàn)風(fēng)場(chǎng)結(jié)構(gòu)

表5 優(yōu)化后試驗(yàn)數(shù)據(jù)表 m/s

5 結(jié)語(yǔ)

1）應(yīng)用FLUENT流體分析軟件對(duì)固態(tài)儲(chǔ)能裝置風(fēng)場(chǎng)結(jié)構(gòu)進(jìn)行數(shù)值模擬仿真。風(fēng)場(chǎng)進(jìn)、出口尺寸影響流動(dòng)效果及傳熱效率。結(jié)合實(shí)際應(yīng)用條件，可通過改變裝置風(fēng)場(chǎng)結(jié)構(gòu)，形成針對(duì)性強(qiáng)的優(yōu)化方案。

2）通過試驗(yàn)裝置對(duì)優(yōu)化設(shè)計(jì)的風(fēng)場(chǎng)結(jié)構(gòu)進(jìn)行驗(yàn)證試驗(yàn)。結(jié)果表明，所采用的仿真計(jì)算方法精確度較高，在固態(tài)儲(chǔ)能裝置設(shè)計(jì)中具有較高的應(yīng)用價(jià)值。