中圖分類號(hào)：TK513.5 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

Simulation study on heat storage characteristics of molten salt by moving baffle

AO Xuelian， ZHU Zhiwei， ZHOU Ruirui （SchoolofEnergyandPower Engineering， UniversityofShanghai forScienceandTechnology，Shanghai 2Oo093，China）

Abstract： In order to optimize the heat storage performance of the single-tank molten salt heat storage system， the influence law of setting moving baffles in the storage tank on the heat storage process was discussed. The influence of the moving bafle on the heat transfer of molten salt flow in the tank was studied by numerical simulation method. The dynamic movement of the bafle was simulated based on the dynamic grid and grid adaptive technology. The heat storage processes before and after the settig of the baffle were compared， and the influence of the moving baffle on the heat transfer of the heat storage fluid flow was analyzed. On this basis， the influence of the moving speed and size of the moving baffle on the heat storage performance of the system was further discussed. The results show that the moving baffle can promote the flow heat transfer of molten salt and enhance the heat storage capacity of the tank compared with the case without baffle. The size of the baffle has a litle effect on the heat storage process， while the moving speed of the baffle has a significant effect on it. Within the range of parameters studied， the thermal storage time of the system can be reduced by up to 17.65% with the addition of the baffle， and the thermal storage efficiency can be increased by up to 11.65% . Further results found that the heat transfer of molten salt can be promoted when the moving bafle is always above the thermocline， while it is weakened when it is below the thermocline. Therefore， setting up moving bales in the storage tank is an effective way to improve the performance ofthe molten salt heat storage system. The speed of the baffles and their positional relationship with the thermocline are the key factors affecting the heat storage efficiency.

Keywords： heat storage of molten salt; dynamic grid; moving baffles; thermal performance

儲(chǔ)能技術(shù)是解決可再生能源間歇性和不穩(wěn)定性問(wèn)題的關(guān)鍵技術(shù)之一，有助于實(shí)現(xiàn)能源供需平衡，提高能源利用效率[1-5]。單罐熔鹽蓄熱系統(tǒng)是一種以熔鹽作為蓄熱工質(zhì)，將高溫和低溫熔鹽共同儲(chǔ)存在一個(gè)罐體中的蓄熱系統(tǒng)。由于工作溫度范圍廣、占地面積小、成本低等優(yōu)點(diǎn)，在電力調(diào)峰、余熱回收、太陽(yáng)能熱利用等領(lǐng)域已有廣泛的應(yīng)用[6-10]。在單罐蓄熱系統(tǒng)中，冷熱流體依靠密度差和重力形成了穩(wěn)定的冷熱流體分層，其中高溫流體到低溫流體的溫度躍變區(qū)域稱為斜溫層。斜溫層的穩(wěn)定性會(huì)影響系統(tǒng)的有效蓄熱量，從而影響系統(tǒng)的蓄熱性能[1-14]。因此，如何改善單罐蓄熱系統(tǒng)的蓄熱性能是研究的焦點(diǎn)。

蓄熱罐蓄熱性能的提高多數(shù)通過(guò)改善蓄熱罐結(jié)構(gòu)來(lái)調(diào)整內(nèi)部流體的流動(dòng)行為，從而得到理想的熱分層和斜溫層厚度，最終實(shí)現(xiàn)蓄熱效率的提升。Ievers等[15]通過(guò)數(shù)值分析方法研究了蓄熱罐形狀和運(yùn)行條件對(duì)蓄熱效果的影響，結(jié)果表明，增加罐體的縱橫比并降低進(jìn)出口流量能夠減小斜溫層厚度，提高蓄熱罐的熱分層水平和蓄熱效率。為探究在罐內(nèi)添加擋板對(duì)蓄熱罐蓄熱性能的影響，Erdemir等[1通過(guò)實(shí)驗(yàn)和數(shù)值分析方法，研究了蓄熱罐內(nèi)4種不同類型擋板的位置對(duì)蓄熱性能的影響，經(jīng)計(jì)算分析得到罐內(nèi)有擋板且將擋板放置在距離罐底 200～300mm 的位置能夠取得最好的熱分層效果，提高蓄熱量，從而提升蓄熱性能。Paing等[17]模擬研究了豎直擋板的長(zhǎng)度和位置對(duì)蓄熱罐內(nèi)對(duì)流換熱的影響。最終結(jié)果表明，擋板的參數(shù)對(duì)流動(dòng)有顯著影響，當(dāng)其長(zhǎng)度較長(zhǎng)且位置靠近壁面時(shí)，可有效抑制罐體的熱損失，從而顯著提升蓄熱罐的蓄熱性能。為進(jìn)一步探究擋板對(duì)蓄熱罐蓄熱性能的影響，以得出最優(yōu)的蓄熱罐配置，Gao 等[18]通過(guò)實(shí)驗(yàn)?zāi)M研究了帶孔水平擋板對(duì)蓄熱罐熱分層特性的影響，通過(guò)數(shù)值分析不同的擋板位置和孔徑大小對(duì)理查森數(shù)、分層數(shù)和混合數(shù)3個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)的影響，最終得出擋板至蓄熱罐底部的距離與蓄熱罐高度的比值為0.79、孔徑與擋板直徑的比值為0.80，是蓄熱罐的最優(yōu)參數(shù)。Bouhal等[19]研究了兩種構(gòu)型的蓄熱罐內(nèi)擋板數(shù)量、位置和方向?qū)π顭徇^(guò)程中的流動(dòng)特性和熱分層的影響，結(jié)果表明，當(dāng)擋板位于蓄熱罐的中間、頂部，或 30^° 角傾斜位置時(shí)，兩種蓄熱罐得到最佳熱分層和熱效率，而擋板的數(shù)量對(duì)其影響不大。

罐體內(nèi)設(shè)置固定擋板并優(yōu)化其結(jié)構(gòu)可以提高蓄熱罐的熱分層水平，實(shí)現(xiàn)蓄熱量的提高，進(jìn)而提高系統(tǒng)蓄熱性能。蓄熱過(guò)程中，固定擋板對(duì)不斷向出口移動(dòng)的斜溫層產(chǎn)生的持續(xù)性影響較小，而移動(dòng)擋板對(duì)罐體內(nèi)流道的持續(xù)擠壓和擾動(dòng)促進(jìn)了流體的流動(dòng)，從而促進(jìn)熱量傳遞，持續(xù)影響移動(dòng)的斜溫層。Bouzaher等[20]研究了球形蓄熱罐內(nèi)繞罐軸被動(dòng)式移動(dòng)的擋板對(duì)蓄熱罐蓄熱過(guò)程的影響，移動(dòng)擋板將冷熱流體隔離，因而冷熱流體之間沒(méi)有直接混合換熱，結(jié)果表明，移動(dòng)擋板的存在能夠使罐體有更好的熱分層效果及較小的斜溫層厚度。為了進(jìn)一步促進(jìn)冷熱流體之間的流動(dòng)換熱，本文在單罐熔鹽蓄熱罐內(nèi)設(shè)置了將冷熱熔鹽不完全隔離的移動(dòng)擋板。一方面，移動(dòng)擋板對(duì)冷熱熔鹽及斜溫層區(qū)域產(chǎn)生擾動(dòng)作用；另一方面，冷熱熔鹽會(huì)發(fā)生混合，進(jìn)一步強(qiáng)化換熱，從而提升罐體的蓄熱性能。本文分析了移動(dòng)擋板對(duì)系統(tǒng)蓄熱特性的影響，并進(jìn)一步討論了擋板移動(dòng)速度、尺寸，以及擋板與斜溫層的位置關(guān)系對(duì)蓄熱效率的影響。

研究方法

1.1 物理模型

以一個(gè)柱型熔鹽蓄熱罐為研究對(duì)象，構(gòu)建其二維罐體結(jié)構(gòu)圖，如圖1（a）所示。取蓄熱罐直徑D 為 0.1m ，高度 H 為 0.25m ，進(jìn)出口的管道直徑為 0.01m ，距離罐頂部 h 為 0.02m 處加裝一塊可移動(dòng)擋板用于增強(qiáng)擾動(dòng)，擋板直徑 d 為 0.08m 。初始時(shí)刻，罐內(nèi)蓄滿低溫熔鹽，并以固定流量從罐體頂部進(jìn)口向蓄熱罐內(nèi)填充高溫熔鹽，同時(shí)排出罐內(nèi)低溫熔鹽。與此同時(shí)，罐內(nèi)的移動(dòng)擋板開始勻速向下運(yùn)動(dòng)，直至高溫熔鹽全部充滿罐體

可以預(yù)見，改變擋板的移動(dòng)速度會(huì)直接影響冷熱流體的流速，進(jìn)而影響冷熱熔鹽的流速；而擋板對(duì)于流道的擠壓作用，亦會(huì)在擋板兩側(cè)縫隙起到加快冷熱熔鹽流動(dòng)的作用。因此，擋板的尺寸和速度都會(huì)影響熔鹽的換熱過(guò)程。

1.2 數(shù)學(xué)模型

熔鹽蓄熱罐采用的是二維、瞬態(tài)湍流模型，為簡(jiǎn)化計(jì)算，本文作出以下假設(shè)：

a.蓄熱罐入口采用均勻速度分布邊界條件；b.液態(tài)工質(zhì)視為不可壓縮流體；

c.忽略擋板的吸熱作用；

d.忽略流體內(nèi)部的黏性耗散效應(yīng)，

考慮上述假設(shè)，蓄熱罐的連續(xù)性控制方程、動(dòng)量控制方程和能量控制方程如下：

式中： abla 為Nabla算子； u 為速度矢量； ρ 為熔鹽密度； t 為時(shí)間； p 為靜壓； τ 為應(yīng)力張量； β 為熱膨脹系數(shù)； T 為熱力學(xué)溫度； T_ref 為參考熱力學(xué)溫度； g 為重力加速度； c_p 為比定壓熱容；為熱導(dǎo)率。

選擇Standard k-ε 模型進(jìn)行計(jì)算，其湍流動(dòng)能方程為

湍流耗散率方程為

式中： k 為湍流動(dòng)能； u_j 為速度分量； μ 為動(dòng)力黏性系數(shù)； μ_t 為湍流黏性系數(shù)； Pr_k 為湍流動(dòng)能的普朗特?cái)?shù)； G_k 和 G_b 為由于浮力、速度梯度而產(chǎn)生的湍流動(dòng)能； ε 為湍流動(dòng)能的耗散率； Pr_ε 為湍流耗散率的普朗特?cái)?shù)； C_1ε 、 C_2ε 和 C_3ε 為經(jīng)驗(yàn)常數(shù)。

1.3 邊界條件及計(jì)算方法

本文以太陽(yáng)鹽（質(zhì)量比為 60% 的硝酸鈉， 40% 的硝酸鉀）為工質(zhì)，對(duì)蓄熱系統(tǒng)的性能進(jìn)行研究。太陽(yáng)鹽的物性隨著溫度而變化，會(huì)影響斜溫層厚度。因此，需要考慮太陽(yáng)鹽的密度、比定壓熱容、動(dòng)力黏度及熱導(dǎo)率與溫度之間的函數(shù)關(guān)系，其具體關(guān)系式如表1所示[21]。

罐內(nèi)蓄滿初始溫度 T_ini 為 603.15K 的熔鹽，溫度 T_in 為 693.15K 的高溫熔鹽以流速 u=0.01m/s 的速度從進(jìn)口流入罐體，同時(shí)，熔鹽以相同速度從出口流出。罐體壁面設(shè)定為絕熱無(wú)滑移壁面。

本文通過(guò)商業(yè)軟件Fluent進(jìn)行模擬計(jì)算，采用雙精度求解器和PISO算法，對(duì)流項(xiàng)的離散應(yīng)用二階迎風(fēng)格式，重力方向?yàn)檠?y 軸的負(fù)方向。在模擬過(guò)程中，壓力和動(dòng)量的松弛因子為0.3，能量的松弛因子為0.5。模型計(jì)算的難點(diǎn)在于生成可有效持續(xù)計(jì)算的動(dòng)網(wǎng)格。本研究依靠動(dòng)網(wǎng)格及網(wǎng)格自適應(yīng)技術(shù)實(shí)現(xiàn)網(wǎng)格的實(shí)時(shí)更新以及節(jié)點(diǎn)的重新分配，并采用動(dòng)態(tài)自適應(yīng)法，每20步對(duì)網(wǎng)格進(jìn)行一次更新，網(wǎng)格存儲(chǔ)設(shè)置中，存儲(chǔ)數(shù)設(shè)置為5，擋板周圍區(qū)域網(wǎng)格如圖1（b）所示。

2 模型驗(yàn)證

Zachar等[2]通過(guò)實(shí)驗(yàn)，研究了含有固定擋板的蓄熱罐體內(nèi)部的充熱儲(chǔ)能過(guò)程，并采用添加染料的方法觀察介質(zhì)的熱分層現(xiàn)象，最終得到了介質(zhì)內(nèi)部的溫度分布情況。為了驗(yàn)證本工作的可靠性，首先模擬了1/2直徑位置處介質(zhì)溫升隨罐體深度的變化，并將結(jié)果與文獻(xiàn)[20]中的實(shí)驗(yàn)值進(jìn)行了對(duì)比，如圖2所示。由圖可以發(fā)現(xiàn)，模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)值吻合較好。

針對(duì)本文問(wèn)題進(jìn)行了網(wǎng)格數(shù)和時(shí)間步長(zhǎng)的無(wú)關(guān)性驗(yàn)證，考慮到計(jì)算效率及準(zhǔn)確性，最終取網(wǎng)格數(shù)為38952、時(shí)間步長(zhǎng)為0.04s進(jìn)行計(jì)算并得到結(jié)果。

3 結(jié)果與討論

本文模擬了無(wú)擋板和有移動(dòng)擋板的單罐熔鹽蓄熱系統(tǒng)的蓄熱過(guò)程，分析了移動(dòng)擋板對(duì)蓄熱系統(tǒng)性能的影響。在有擋板的情況下，分別取擋板的移動(dòng)速度為 時(shí)，以及擋板直徑為0.07、0.08、 0.09m 時(shí)的工況進(jìn)行對(duì)比研究，具體計(jì)算方案如表2所示。

3.1 擋板對(duì)熔鹽流動(dòng)換熱的影響

首先對(duì)無(wú)擋板和有移動(dòng)擋板時(shí)單罐蓄熱系統(tǒng)內(nèi)熔鹽的流動(dòng)換熱特性進(jìn)行了模擬。圖3為系統(tǒng)蓄熱過(guò)程中無(wú)擋板和有移動(dòng)擋板時(shí)罐內(nèi)的流線圖，通過(guò)流場(chǎng)分析移動(dòng)擋板對(duì)熔鹽流動(dòng)特性的影響。由圖可見，罐內(nèi)加入移動(dòng)的擋板后，擋板改變了流體的流動(dòng)情況，對(duì)流體產(chǎn)生擾動(dòng)，進(jìn)而影響冷熱流體交匯。蓄熱初期，高溫熔鹽以一定速度流入罐體，在無(wú)擋板情況下，人口處的流速比較大，使得頂部區(qū)域流體劇烈混合。而有移動(dòng)擋板的情況下，流入的高溫熔鹽流經(jīng)移動(dòng)擋板后由兩邊的環(huán)隙向下流動(dòng)，同時(shí)擋板向下移動(dòng)對(duì)擋板下方的熔鹽形成擾動(dòng)，并在擋板的擠壓作用下形成渦流。隨著蓄熱過(guò)程的推進(jìn)，擋板遠(yuǎn)離頂部區(qū)域，兩種情況下入口區(qū)域產(chǎn)生的渦流逐漸變大，罐體內(nèi)部的流場(chǎng)穩(wěn)定發(fā)展。而隨著擋板下方熔鹽的流速逐漸提高，擋板的擠壓作用逐漸變小，導(dǎo)致渦流變小。添加擋板對(duì)于流道的影響主要是持續(xù)運(yùn)動(dòng)的擋板與靜止流體之間存在速度差，使得擋板對(duì)于下方流體產(chǎn)生一定的擠壓作用，進(jìn)而導(dǎo)致了渦流產(chǎn)生。

在移動(dòng)擋板的擾動(dòng)和擠壓作用下，熔鹽流速有顯著變化。圖4為罐內(nèi)有無(wú)擋板時(shí)熔鹽平均流速隨時(shí)間的變化。由圖可見，隨著蓄熱過(guò)程的進(jìn)行，熔鹽的平均流速在逐漸增加，加入移動(dòng)擋板后，其平均流速有明顯提升。在蓄熱后期，擋板停止運(yùn)動(dòng)，流速增幅有所減小，說(shuō)明移動(dòng)擋板能夠促進(jìn)內(nèi)部熔鹽的流動(dòng)，進(jìn)而提升熔鹽的平均流速。

圖5是系統(tǒng)蓄熱過(guò)程中無(wú)移動(dòng)擋板和有移動(dòng)擋板時(shí)罐內(nèi)的溫度云圖，通過(guò)溫度場(chǎng)進(jìn)一步分析蓄熱過(guò)程中熔鹽的溫度分布情況。在無(wú)擋板罐體內(nèi)，在蓄熱初期30s時(shí)，高溫熔鹽流入罐體，高低溫熔鹽存在較大溫差，產(chǎn)生大溫度梯度，初步出現(xiàn)了溫度分層現(xiàn)象，在90s左右基本形成了穩(wěn)定的斜溫層。而在有移動(dòng)擋板的罐體內(nèi)，由于擋板移動(dòng)帶動(dòng)了周邊間隙的高低溫熔鹽的對(duì)流，引起的流體擾動(dòng)使得熱量傳遞更快，推進(jìn)了高溫熔鹽在軸向方向的傳熱，所以擋板周圍的斜溫層更厚。隨著時(shí)間的推移，兩種情況下斜溫層均逐步從蓄熱罐的頂部向底部移動(dòng)。有移動(dòng)擋板的罐體在170s和210s時(shí)，擋板上層中間和底部?jī)蓚?cè)有明顯的吸附流作用。在 240s 時(shí)蓄熱過(guò)程即將結(jié)束，有移動(dòng)擋板的蓄熱罐的出口溫度明顯高于無(wú)擋板的熔鹽罐的出口溫度。最后，隨著斜溫層流出罐體，高溫熔鹽最終全部?jī)?chǔ)存在罐內(nèi)，出口溫度與入口溫度相同并保持穩(wěn)定，蓄熱過(guò)程結(jié)束

擋板在斜溫層區(qū)域的運(yùn)動(dòng)能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)該區(qū)域的擾動(dòng)，促進(jìn)溫度層之間的熱量傳遞。圖6表示的是有無(wú)擋板時(shí)努塞爾數(shù)Nu隨時(shí)間的變化，Nu由式（6）可得[23-25].

Nu=C（Gr?Pr）^m

式中： C 和 m 為常數(shù)，根據(jù)流動(dòng)狀態(tài) C 取0.54，m 取0.25； Gr 為格拉曉夫數(shù)； Pr 為普朗特?cái)?shù);ΔT 為流體溫差； l 為特征長(zhǎng)度； u 為運(yùn)動(dòng)黏度；a 為熱擴(kuò)散系數(shù)。

由圖6可以觀察到， Nu 呈現(xiàn)出先緩慢增長(zhǎng)后下降的趨勢(shì)。在蓄熱初期，高溫熔鹽進(jìn)入罐內(nèi)，由于擋板的存在，靠近板的熔鹽會(huì)沿著擋板向兩邊流動(dòng)，高溫熔鹽的熱量既沿著豎直方向向下層層傳遞，同時(shí)也向兩邊傳遞。擋板的移動(dòng)使得流體之間摻混的機(jī)會(huì)更多，不同溫度梯度的熔鹽之間接觸面增加，因此，傳熱效果得到增強(qiáng)，Nu逐步增長(zhǎng)。大約在 180s 時(shí)，Nu開始有下降趨勢(shì)，這是因?yàn)榈胶笃诹黧w溫度分布逐漸變得均勻，罐內(nèi)溫差變小，對(duì)流效果逐漸減弱，低溫熔鹽流出罐體，高溫熔鹽逐步占據(jù)了整個(gè)罐體。由圖6還可以發(fā)現(xiàn)，移動(dòng)擋板的存在能夠顯著提升介質(zhì)流動(dòng)的Nu，實(shí)現(xiàn)對(duì)蓄熱過(guò)程的強(qiáng)化傳熱。

3.2 擋板對(duì)罐體蓄熱效率的影響

無(wú)擋板的蓄熱罐完成蓄熱所需要的時(shí)間為408s ，表3記錄了有擋板的蓄熱罐在不同工況下的蓄熱時(shí)間。結(jié)合表2可以看出，擋板移動(dòng)速度為 0.0005m/s ，直徑為 0.07m 時(shí)，蓄熱用時(shí)最少，節(jié)省了 17.65% 的蓄熱時(shí)間，這說(shuō)明移動(dòng)擋板能夠促進(jìn)罐內(nèi)熔鹽的流動(dòng)和傳熱。

蓄熱罐的蓄熱效率是評(píng)價(jià)其蓄熱性能的重要參數(shù)，在單罐熔鹽蓄熱系統(tǒng)中，可以將蓄熱能力定義為熔鹽進(jìn)出口溫度差與進(jìn)口溫度和初始溫度差的比[26-27]，通過(guò)式（8）計(jì)算蓄熱罐的蓄熱效率，依據(jù)時(shí)間變化取其均值。

式中： η₁ 為蓄熱罐的蓄熱效率； T_out 為熔鹽出口溫度。

經(jīng)計(jì)算，無(wú)擋板時(shí)蓄熱效率為 61.78% ，罐內(nèi)設(shè)置移動(dòng)擋板后，蓄熱效率能夠提升至 73.43% ，且擋板的移動(dòng)速度和尺寸會(huì)影響蓄熱效率的大小。圖7是直徑為 0.07m 的擋板以不同速度移動(dòng)時(shí)，罐體的蓄熱時(shí)間和蓄熱效率隨速度的變化情況。由圖中可以看出，隨著擋板移動(dòng)速度的增大，完成蓄熱所需要的時(shí)間在逐步增加，蓄熱效率在逐步下降，擋板直徑為 0.08m 和 0.09m 時(shí)的模擬結(jié)果表現(xiàn)出類似的趨勢(shì)。相比于無(wú)擋板的情況，有移動(dòng)擋板的系統(tǒng)蓄熱效率最多能夠提升11.65% 。同時(shí)，當(dāng)3種不同直徑的擋板在同一速度下移動(dòng)時(shí)，其蓄熱效率的最大差值為 2.67% 。由此說(shuō)明，相比于擋板的移動(dòng)速度，擋板的直徑對(duì)蓄熱效率的影響較小。

為進(jìn)一步闡明擋板的移動(dòng)速度對(duì)蓄熱效率影響的原因，圖8給出了不同移動(dòng)速度下?lián)醢迮c斜溫層的關(guān)系。隨著蓄熱過(guò)程的進(jìn)行，當(dāng)移動(dòng)速度為 0.0005m/s 和 0.001m/s 時(shí)，擋板始終保持在斜溫層的上方移動(dòng)；當(dāng)移動(dòng)速度為 0.0013m/s 時(shí)，擋板穿過(guò)斜溫層并在后期保持在斜溫層下方移動(dòng)。因?yàn)槿埯}在罐內(nèi)的流動(dòng)速度比較慢，當(dāng)擋板能夠保持在高溫熔鹽區(qū)域或者斜溫層區(qū)域移動(dòng)時(shí)，擋板能夠推動(dòng)附近的高溫熔鹽向下流動(dòng)，促進(jìn)擋板周邊的高溫熔鹽與低溫熔鹽的對(duì)流換熱，并推動(dòng)底部出口附近的低溫熔鹽快速流向出口。當(dāng)擋板移動(dòng)速度過(guò)快，擋板穿過(guò)斜溫層區(qū)域保持在低溫熔鹽區(qū)域移動(dòng)，到達(dá)罐體底部后停止運(yùn)動(dòng)，而高溫熔鹽及斜溫層還在緩慢向下移動(dòng)，與低溫熔鹽進(jìn)行換熱。因此，擋板無(wú)法有效地影響斜溫層，反而是擠壓了流道，導(dǎo)致流動(dòng)壓力增加。最后，隨著溫差逐漸減小，換熱效果減弱，蓄熱時(shí)間延長(zhǎng)。因此，擋板始終保持在斜溫層上方能夠促進(jìn)熔鹽的換熱，在其下方則會(huì)削弱換熱效果。

3.3擋板對(duì)罐體蓄熱有效性的影響

在單罐熔鹽蓄熱系統(tǒng)中，斜溫層的存在會(huì)降低系統(tǒng)的有效蓄熱量，斜溫層厚度越大，罐體有效蓄熱容積就越小，系統(tǒng)的蓄熱效果也越差。因此，本文基于斜溫層厚度定義蓄熱有效性[27-28]，計(jì)算公式如下：

式中： η₂（t） 表示蓄熱有效性； δ（t） 表示斜溫層厚度； L 為蓄熱罐的高度。式 （9）表明斜溫層厚度越小，有效體積蓄熱容量越大，蓄熱有效性越高，

圖9是擋板以不同速度移動(dòng)時(shí)，罐體蓄熱有效性隨時(shí)間的變化情況，由圖可見，蓄熱有效性整體呈現(xiàn)下降趨勢(shì)。這是由于斜溫層與高低溫熔鹽區(qū)域換熱使得斜溫層逐漸向高低溫區(qū)域擴(kuò)散，導(dǎo)致其內(nèi)部溫度梯度降低，傳熱效果減弱。因此，斜溫層厚度會(huì)逐漸增加，罐體有效蓄熱容積減小，蓄熱有效性降低。在有移動(dòng)擋板的罐體中，隨著擋板移動(dòng)速度的增大，同一時(shí)刻的蓄熱有效性呈現(xiàn)出先上升后下降的趨勢(shì)，即斜溫層的厚度隨著擋板移動(dòng)速度的增加先減小后增大。這是因?yàn)閾醢逡苿?dòng)速度較慢時(shí)，擋板始終保持在斜溫層的上方運(yùn)動(dòng)，不會(huì)影響斜溫層，斜溫層仍會(huì)向高低溫區(qū)域擴(kuò)散而逐漸變厚。當(dāng)擋板移動(dòng)速度過(guò)快時(shí)，擋板快速穿過(guò)斜溫層并保持在下方低溫區(qū)域運(yùn)動(dòng)，斜溫層中的低溫區(qū)域向下擴(kuò)散，導(dǎo)致斜溫層變厚，蓄熱有效性降低。而當(dāng)擋板以接近于斜溫層的移動(dòng)速度運(yùn)動(dòng)時(shí)，能夠促進(jìn)斜溫層內(nèi)部的熱量傳遞，從而減小斜溫層厚度，提升其蓄熱有效性。

因此，對(duì)于不同的移動(dòng)速度，斜溫層厚度隨著擋板的移動(dòng)速度增加而先減小后增大，蓄熱有效性則隨著擋板的移動(dòng)速度增加，呈現(xiàn)出先上升后下降的趨勢(shì)。

本文進(jìn)而探討了擋板尺寸對(duì)蓄熱有效性的影響，圖10表示的是不同尺寸的擋板以一定速度運(yùn)動(dòng)時(shí)蓄熱有效性隨時(shí)間的變化。由圖可見，無(wú)擋板時(shí)蓄熱罐的蓄熱有效性下降幅度明顯大于有移動(dòng)擋板時(shí)的蓄熱罐。當(dāng)有移動(dòng)擋板時(shí)，在約 140s 之前，板徑為 0.07m 的擋板蓄熱有效性相對(duì)來(lái)說(shuō)較大，在約 140s 之后，區(qū)別不是很明顯

4結(jié)論

本文數(shù)值模擬了單罐熔鹽蓄熱系統(tǒng)的蓄熱過(guò)程，結(jié)合動(dòng)網(wǎng)格及網(wǎng)格自適應(yīng)方法，探究了蓄熱罐內(nèi)設(shè)置移動(dòng)擋板對(duì)熔鹽流動(dòng)換熱的影響，探討了移動(dòng)擋板的不同速度及尺寸對(duì)系統(tǒng)蓄熱性能的影響。主要結(jié)論如下：

a.設(shè)置移動(dòng)擋板能夠提升罐體內(nèi)部介質(zhì)的平均流速與努塞爾數(shù)，實(shí)現(xiàn)強(qiáng)化流動(dòng)換熱。與無(wú)擋板相比，移動(dòng)擋板帶動(dòng)板周邊區(qū)域及間隙內(nèi)熔鹽的流動(dòng)，增強(qiáng)了對(duì)蓄熱罐內(nèi)熔鹽的擾動(dòng)作用，從而促進(jìn)了熔鹽的流動(dòng)換熱

b.擋板的尺寸對(duì)系統(tǒng)蓄熱性能的影響較小，而擋板的移動(dòng)速度對(duì)其則有顯著影響。在一定速度范圍內(nèi)，移動(dòng)擋板能夠減少罐體的蓄熱時(shí)間，并提高蓄熱效率。在本文研究的參數(shù)范圍內(nèi)，移動(dòng)擋板能夠使系統(tǒng)蓄熱效率最高提高 11.65% ，蓄熱時(shí)間減少 17.65% 。

c.移動(dòng)擋板處于斜溫層上方可以促進(jìn)熔鹽的流動(dòng)換熱，而在斜溫層下方時(shí)則會(huì)削弱換熱效果。擋板保持在斜溫層上方移動(dòng)時(shí)，擋板持續(xù)影響高溫熔鹽及斜溫層區(qū)域，并推動(dòng)高溫熔鹽向下流動(dòng)，促進(jìn)冷熱熔鹽的流動(dòng)換熱。而擋板保持在斜溫層下方移動(dòng)時(shí)，僅影響下方的低溫熔鹽，未能持續(xù)擾動(dòng)上方的高溫熔鹽及斜溫層。

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（編輯：丁紅藝）