基于某Fluent石蠟相變材料模擬

1、實(shí)用標(biāo)準(zhǔn)文檔一、問(wèn)題背景：為了解決日益嚴(yán)重的能源短缺問(wèn)題，如何更加充分地利用現(xiàn)有的 化石能源，開(kāi)發(fā)利用綠色能源成為世界各國(guó)關(guān)注的重要議題。隨著現(xiàn) 有化石能源的逐步開(kāi)采利用，世界各國(guó)已經(jīng)普遍認(rèn)識(shí)到降低對(duì)傳統(tǒng)能 源（如煤炭、石油、天然氣能源等）的依賴性，以及對(duì)綠色能源（如 太陽(yáng)能、風(fēng)能、地?zé)崮艿龋?shí)現(xiàn)充分開(kāi)發(fā)利用的重要性，使用再生類 能源并通過(guò)提高能源利用效率的方式成為應(yīng)對(duì)能源枯竭現(xiàn)狀的重要 手段。蓄熱技術(shù)就是這類能夠提高能源利用效率的典型技術(shù)手段，蓄熱技術(shù)通過(guò)將間歇性或者不穩(wěn)定的熱量通過(guò)蓄能介質(zhì)暫時(shí)儲(chǔ)存，在有使用要求時(shí)釋放能量，解決能源利用高峰階段造成的能源匹配不足的 問(wèn)題。經(jīng)過(guò)多年應(yīng)用發(fā)展，蓄

2、熱技術(shù)已經(jīng)在太陽(yáng)能、地?zé)崮堋L(fēng)能、 工業(yè)廢熱、電網(wǎng)系統(tǒng)的“移峰填谷”等領(lǐng)域有了一定程度的應(yīng)用，并 表現(xiàn)出強(qiáng)勁的發(fā)展勢(shì)頭。二、蓄熱技術(shù)蓄熱技術(shù)一般通過(guò)利用蓄熱介質(zhì)的比熱容、潛熱等物理特性實(shí)現(xiàn) 對(duì)采集能源多余熱量的暫時(shí)儲(chǔ)存，主要分為顯熱蓄熱、潛熱蓄熱和化 學(xué)熱反應(yīng)蓄熱，其中前兩種技術(shù)屬于物理蓄熱范疇。顯熱蓄熱顯熱蓄熱通過(guò)提升蓄熱介質(zhì)材料的溫度進(jìn)而提高物質(zhì)內(nèi)能的方 式實(shí)現(xiàn)儲(chǔ)熱，儲(chǔ)熱能力取決于材料的比熱容（提升物質(zhì)單位溫升所需 要的外部能量）等物理參數(shù)。顯熱蓄熱的突出弱點(diǎn)在于由于蓄能介質(zhì)（例如水）在多余能量的儲(chǔ)存過(guò)程中伴隨著物質(zhì)溫度的上升， 不能滿 足部分設(shè)備對(duì)于恒溫放熱的要求。同時(shí)，顯熱蓄熱材料蓄熱

3、能力有限， 儲(chǔ)能密度較低，往往需要較大容積的容器提供儲(chǔ)能保證， 限制了顯熱 蓄熱技術(shù)的大規(guī)模推廣應(yīng)用。潛熱蓄熱潛熱蓄熱技術(shù)充分利用了相變介質(zhì)在相態(tài)改變時(shí)會(huì)吸收或釋放 巨大的能量，并藉此實(shí)現(xiàn)對(duì)多余能量的儲(chǔ)存和釋放。 這類利用相變過(guò) 程實(shí)現(xiàn)能量吸收釋放的材料被稱為相變材料。 相比顯熱蓄熱材料，相 變材料的相變潛熱與蓄熱材料的比熱特性相比在儲(chǔ)熱能力方面有了 極大的提升，同等質(zhì)量的儲(chǔ)熱介質(zhì)能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)更多能量的儲(chǔ)存， 降低 了對(duì)儲(chǔ)熱設(shè)備容積、質(zhì)量等方面的要求，降低了整體設(shè)備成本。同時(shí)， 潛熱蓄熱材料在相變吸熱放熱過(guò)程中近似等溫過(guò)程， 方便了實(shí)際工程 控制。盡管如此，由于相變蓄熱材質(zhì)在導(dǎo)熱、傳熱特性方面的

4、不足， 以及某些無(wú)機(jī)鹽相變材料存在的相分離和過(guò)冷現(xiàn)象以及某些固有的 化學(xué)反應(yīng)，會(huì)嚴(yán)重影響儲(chǔ)熱設(shè)備的使用壽命?；瘜W(xué)熱反應(yīng)蓄熱化學(xué)熱反應(yīng)在反應(yīng)過(guò)程中會(huì)釋放大量熱量，與外部環(huán)境進(jìn)行熱交 換，化學(xué)熱反應(yīng)蓄熱即是利用這一熱交互過(guò)程實(shí)現(xiàn)能量和吸收和釋放。 基本原理如下：利用正化學(xué)反應(yīng)吸熱，將能量轉(zhuǎn)化為化學(xué)能儲(chǔ)存，之 后利用負(fù)反應(yīng)放熱，將通過(guò)正反應(yīng)儲(chǔ)存的能量通過(guò)熱量的方式釋放出 來(lái)?；瘜W(xué)熱反應(yīng)蓄熱與相變潛熱蓄熱技術(shù)有相似的優(yōu)勢(shì)特點(diǎn)，但是由于化學(xué)熱反應(yīng)存在反應(yīng)過(guò)程復(fù)雜、反應(yīng)速度過(guò)快、反應(yīng)過(guò)程復(fù)雜難于目前僅僅在一些特殊要控制等問(wèn)題，對(duì)于熱反應(yīng)發(fā)生裝置要求較高， 求應(yīng)用場(chǎng)合得到了一定程度的應(yīng)用。綜上所述，在熱能綜

5、合利用和蓄能技術(shù)對(duì)比中， 采用相變材質(zhì)的 潛熱蓄熱技術(shù)具有更為突出的應(yīng)用前景，如圖1所示為一種典型的通 過(guò)相變材料實(shí)現(xiàn)蓄熱的蓄熱系統(tǒng)構(gòu)成（相變蓄能熱水器系統(tǒng)）。該系統(tǒng)首先通過(guò)吸收外部太陽(yáng)輻射熱量對(duì)水進(jìn)行加熱，并導(dǎo)入熱水箱結(jié)構(gòu) 進(jìn)行儲(chǔ)存，對(duì)于多余的能量，系統(tǒng)通過(guò)熱水將熱能再次轉(zhuǎn)化為相變材 料的相變能量，實(shí)現(xiàn)對(duì)多余能量的儲(chǔ)存。在夜間缺少太陽(yáng)能的時(shí)候， 可以通過(guò)相變蓄熱模塊對(duì)冷水進(jìn)行初步加熱，并將初步加熱的溫水導(dǎo) 入熱水箱通過(guò)傳統(tǒng)的輔助加熱設(shè)備加熱到固定的使用溫度。上述系統(tǒng)能夠在連續(xù)多天沒(méi)有陽(yáng)光或者日照不足的情況下， 實(shí)現(xiàn)對(duì)所儲(chǔ)存能量 的更高效的利用，降低對(duì)傳統(tǒng)能源的依賴程度。圖1相變材料實(shí)現(xiàn)蓄熱的

6、蓄熱系統(tǒng)構(gòu)成三、相變材料介紹根據(jù)蓄熱材料的組成分為無(wú)機(jī)類、有機(jī)類和復(fù)合相變材料三個(gè)大的類別。通過(guò)相變材料的相變過(guò)程溫度變化范圍分為高溫相變材料（相變溫度A 250C）,中低溫相變材料（相變溫度:100 c250C）, 低溫相變材料（相變溫度W 100C）。如圖2所示，對(duì)相關(guān)相變材料分 類及類別內(nèi)的物質(zhì)種類進(jìn)行了簡(jiǎn)要?jiǎng)澐?。無(wú)機(jī)相變蓄熱材料：熔融鹽類、結(jié)晶水合鹽類、金屬合金類無(wú)機(jī)物依據(jù)材料類別有機(jī)相變蓄熱材料：石蠟、脂肪酸類、多元醇等有機(jī)物文案大全混合相變蓄熱材料：通過(guò)將有機(jī)相變材料和無(wú)機(jī)相變材料進(jìn)行一定比例的混合。潛熱蓄熱材料低溫蓄熱材料：石蠟、脂肪酸、醇類、鹽類水合物;依據(jù)材料相變溫度中低溫蓄

7、熱材料;高低溫蓄熱材料：?jiǎn)渭凔}類、金屬與合金、金屬氧化物、混合鹽類;圖2相變材料劃分及典型代表四、基于Fluent的石蠟相變材料蓄熱模擬本次畢業(yè)設(shè)計(jì)采用ANSYS Fluent計(jì)算流體力學(xué)仿真軟件對(duì)考慮對(duì)流狀態(tài)下的石蠟相變材料融化和凝固過(guò)程進(jìn)行了數(shù)值模擬， 研究石 蠟材料在熱交互過(guò)程中的儲(chǔ)熱機(jī)理和傳熱效果， 為基于潛熱蓄熱激勵(lì) 的儲(chǔ)能設(shè)備的設(shè)計(jì)提供參考數(shù)據(jù)。4.1 固-液相變傳熱相關(guān)機(jī)理相變材料的凝固和融化過(guò)程實(shí)際上完全是一個(gè)物理變化過(guò)程，在熱力學(xué)中往往利用潛熱的概念（KJ/kg）對(duì)單位質(zhì)量的相變物質(zhì)相態(tài) 轉(zhuǎn)化所需要的能量進(jìn)行定義，并稱相變材料在相態(tài)轉(zhuǎn)化過(guò)程中的潛熱 為溶解熱（或者凝固熱）。相

8、變材料相態(tài)轉(zhuǎn)變過(guò)程主要分為三個(gè)階段：實(shí)用標(biāo)準(zhǔn)文檔1. 相變材料的顯熱存儲(chǔ)階段：相變材料的溫度低于外部熱源溫度，材料與熱源發(fā)生熱傳導(dǎo)實(shí)現(xiàn)材料之間的能量交互，相變材料溫度逐步上升并達(dá)到物質(zhì)熔點(diǎn)溫度。2. 相變材料的潛熱存儲(chǔ)階段：相變材料達(dá)到材料熔點(diǎn)后，依舊持續(xù)從外部熱源吸收熱量并轉(zhuǎn)化為自身能量，但在存儲(chǔ)階段相變材料的溫度不變，吸收的熱量轉(zhuǎn)化為融化熱能量，并促使相變材料由固態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)橐簯B(tài)。3. 相變材料的第二顯熱存儲(chǔ)階段：當(dāng)全部相變材料轉(zhuǎn)換為液態(tài)形式， 持續(xù)從外部熱源吸收的熱量將促使液態(tài)相變材料溫度進(jìn)一步升高。相變傳熱過(guò)程是一個(gè)復(fù)雜的固-液兩相轉(zhuǎn)化過(guò)程，相變過(guò)程中固-液交接面的移動(dòng)依賴于外部邊界條件，

9、界面移動(dòng)的速度取決于相變材料結(jié)構(gòu)、屬性以及外部熱力學(xué)邊界條件，涉及了固-液兩相界面的移動(dòng)， 在數(shù)學(xué)上屬于高度非線性的復(fù)雜問(wèn)題，無(wú)法單獨(dú)對(duì)系統(tǒng)方程進(jìn)行求解，需要采用單獨(dú)的求解器對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行分別求解。4.2 相變傳熱的數(shù)學(xué)模型和求解機(jī)理由于相變材料的相變過(guò)程中，對(duì)于單一的相變材料，由于有確定的相變溫度，存在不同狀態(tài)條件下的相變材料共存的現(xiàn)象。不同狀態(tài)的相變材料由于具有不同的物理屬性（導(dǎo)熱性質(zhì)和比熱容），并且在固態(tài)相變材料中僅僅具有熱傳導(dǎo)方式的熱量轉(zhuǎn)化而在流體狀態(tài)的相變材料中還包括了熱對(duì)流的傳熱方式。目前，對(duì)于固-液相變材料傳熱模擬的數(shù)值求解思路主要包括以下兩種：1 . 溫度法模型溫度法模型適合于單一

10、成分有固定相變溫度的相變材料傳熱過(guò)程模擬，以溫度為系統(tǒng)因變量，分別對(duì)不同狀態(tài)下的相變材料進(jìn)行控 制能量方程的建立，并進(jìn)一步進(jìn)行溫度求解。2 .始法模型相比前述溫度法模型，始法模型不僅適用于單一組分的相變傳熱 模擬過(guò)程，對(duì)于模糊的邊界移動(dòng)等傳熱問(wèn)題同樣適用，該方法將始作 為系統(tǒng)因變量，在固、液以及混合模糊區(qū)域建立統(tǒng)一的能量守恒控制 方程。圖3固-液兩相系統(tǒng)示意圖如圖3所示，為典型的相變材料固-液兩相系統(tǒng)示意圖，選擇對(duì) 應(yīng)控制體V作為研究對(duì)象，經(jīng)過(guò)相界面的移動(dòng)，在時(shí)刻 t,系統(tǒng)分為 固體相 和液體相，將相間由于溫度變化產(chǎn)生的循環(huán)流動(dòng)速度定義 為v,控制體內(nèi)材料的變化以及相界面移動(dòng)取決于交界面S處的

11、傳熱邊界條件，初始材料溫度以及材料的熱力學(xué)物理屬性。對(duì)于，始法模 型，應(yīng)用積分形式（如公式1）:一?式中，以溫度和始參數(shù)作為系統(tǒng)因變量，相互關(guān)系可以通過(guò)公式 2實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)換：公式2中，參數(shù) 和 分別表示相變材料固相比熱和液相比熱，參數(shù)？和？分別表示相變材料的液體相與固體相始值， 單位為 。將上述方程帶入分別表示固體相和液體相的能量控制方程（公式3和 公式4）:式中， 和 分別表木固體相和液體相的密度參數(shù)，和 表不對(duì)應(yīng)相態(tài)的導(dǎo)熱系數(shù)，和 分別表示對(duì)應(yīng)相態(tài)的溫度，表示梯度算子。想要求解溫度控制方程，需要首先對(duì)流體場(chǎng)的速度方程及相關(guān) 系數(shù)進(jìn)行求解。將公式1,2帶入公式3,4后，可以得到如下方程：? P

12、?P , ?通過(guò)上述公式可以將活動(dòng)區(qū)域以及相態(tài)界面區(qū)域的能量控制方 程統(tǒng)一為一個(gè)共同的控制方程組，實(shí)現(xiàn)了相變傳熱模擬的數(shù)值計(jì)算。 對(duì)于上述問(wèn)題的求解方法，對(duì)于一維問(wèn)題求解主要包括：Neuman祛， Lightfoot積分法，Paterson法，對(duì)于多維問(wèn)題求解主要包括有限差文案大全實(shí)用標(biāo)準(zhǔn)文檔分法，有限元法和有限體積法。4.3 基于 Fluent 的石蠟材料相變傳熱模擬4.3.1 Fluent 計(jì)算流體力學(xué)數(shù)值模擬軟件介紹Fluent 是一款較為常用的集成流體、熱力學(xué)領(lǐng)域數(shù)值模擬技術(shù)的數(shù)值模擬軟件，采用了多重網(wǎng)格技術(shù)，具有求解收斂穩(wěn)定、收斂速度快的特點(diǎn)，軟件提供了豐富的物理模型。依才e ANS

13、Y菊限元仿真軟 件多場(chǎng)耦合平臺(tái)，ANSYS Mesh塊為Fluent提供了較好的前處理功 能，可以高效集成多種CAD1助建模軟件，能夠生成二維數(shù)值模擬所 需要的三角形、四邊形網(wǎng)格，生成三維數(shù)值模擬所需要的四面體、六面體網(wǎng)格，并能夠方便實(shí)現(xiàn)對(duì)模型細(xì)節(jié)網(wǎng)格的處理，包括網(wǎng)格細(xì)化、節(jié)點(diǎn)耦合等處理方式。同時(shí)，ANSY笄臺(tái)為Fluent軟件提供了更人性化的結(jié)果后處理窗口 CFD-Post。ANSYSF臺(tái)下基于Fluent的流體 數(shù)值模擬一般流程如圖4 所示。圖4 Fluent數(shù)值模擬基本流程速度分布?jí)毫Ψ植紲囟确植冀M分分布分布4.3.2 Fluent Solidification/Melting模型介紹為

14、了實(shí)現(xiàn)對(duì)相變材料傳熱條件下的相變傳熱過(guò)程進(jìn)行數(shù)值模擬，F(xiàn)luent提供了專業(yè)的融化模型 （Solidification/Melting模型），該模型采用前述始法模型作為系統(tǒng)控制方程內(nèi)核，適用于帶有模糊區(qū)域的相變傳熱過(guò)程模擬。在數(shù)值計(jì)算模擬過(guò)程中，由于相變材料由固態(tài) 吸熱變?yōu)橐簯B(tài)，材料孔隙率由0逐漸增加為1,相反的，當(dāng)材料由液 相逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)楣滔酄顟B(tài)時(shí)，材料孔隙率相應(yīng)的由1逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)?,。同時(shí)，Solidification/Melting模型引入了液相率參數(shù)B,用溫度表不為如下形式：式中，對(duì)于單一成分的相變材料模擬有，對(duì)于混合成分的相變材料模型有，切相變率參數(shù)滿足。同時(shí)在始變計(jì)算過(guò)程中，F(xiàn)luen

15、t對(duì)能量方程和動(dòng)量方程中的源項(xiàng)進(jìn)行了修正，表示為如下形式：能量方程源項(xiàng)修正形式：動(dòng)量方程源項(xiàng)修正形式:其中：？表示模糊區(qū)域流體設(shè)計(jì)參數(shù)，一般取值為e為小于0.0001的固定參數(shù)。4.3.3 基于Fluent的石蠟?zāi)毯腿诨O(shè)置模擬研究本章將基于Fluent流體仿真軟件的凝固-融化模型對(duì)圓管外側(cè) 石蠟蓄能材料的融化和凝固過(guò)程進(jìn)行數(shù)值模擬，在此基礎(chǔ)上對(duì)不同結(jié) 構(gòu)形式，不同熱源（恒定進(jìn)水溫度以及太陽(yáng)能輻射熱源）條件下的液 相分?jǐn)?shù)以及對(duì)應(yīng)相變材料的溫度場(chǎng)數(shù)據(jù)進(jìn)行了提取，以此為進(jìn)一步研 究石蠟材料的融化過(guò)程提供初始理論數(shù)據(jù)。如圖5為本次設(shè)計(jì)所使用的石蠟相變材料融化模擬模型結(jié)構(gòu)示意圖（本次設(shè)計(jì)相變蓄熱箱體

16、結(jié)構(gòu)總體容積為50L),本次模擬所采用的石蠟材料的相關(guān)物理特性如表1所示，同時(shí)為簡(jiǎn)化模擬，做出如下合理假設(shè)：1 .石蠟相變材料分布均勻，切各物理特性屬各項(xiàng)同性；2 .石蠟液相區(qū)域?qū)儆谂ｎD不可壓縮流體區(qū)域，不考慮可壓縮性；3 .石蠟液相區(qū)域熱對(duì)流屬于二維層流流動(dòng)模型；4 .模擬過(guò)程中僅僅考慮密度隨溫度的變化；5 .管道厚度與熱阻系數(shù)在模擬過(guò)程中忽略不計(jì)。熱水Di溫水T2圖5圓管外石蠟相變材料相變過(guò)程模擬模型 表1石蠟材料物理特性參數(shù)表名稱密度(kg/m3)比熱相變潛熱 (kJ/kg)固體相溫度點(diǎn)(K)液體相溫度點(diǎn)(K)動(dòng)力粘度(kg/(m.s)導(dǎo)熱系數(shù)(W/(m.K)石蠟760210017032

17、4.15330.150.003240.254.3.3.1 Fluent 石蠟?zāi)毯腿诨瘏?shù)設(shè)置1)進(jìn)入ANSYSJ、同仿真平臺(tái)，如圖6所示，在工作窗口內(nèi)建立 Fluent流體仿真模塊。 Rud Flaw /kjent)2 g Geometry? 33 .X智/4喙Setup誓II5 媼 SolutionV,如一6 9 Resulls亨建模模塊網(wǎng)格劃分模塊Fluent參數(shù)設(shè)置模塊Fluent求解模塊Fluent后處理模塊圖6 基于ANSYS勺Fluent流體仿真模塊Fluid Flow (Huent)文案大全2）進(jìn)入ANSY防真平臺(tái)的建模模塊（Geometry）,如圖7所示, 在建模窗口內(nèi)建立石

18、蠟?zāi)Ｐ停ㄈ莘e50L,內(nèi)部管道直徑，內(nèi)部管道直徑，蓄熱箱體高度）。圖7石蠟箱體模擬模型3）進(jìn)入ANSY斯真平臺(tái)的網(wǎng)格劃分模塊，對(duì)石蠟?zāi)Ｐ瓦M(jìn)行網(wǎng)格劃分，網(wǎng)格劃分效果如圖8所示（包括了 58680個(gè)單元，63240個(gè)單 元節(jié)點(diǎn)，網(wǎng)格平均質(zhì)量0.93）。圖8石蠟?zāi)Ｐ途W(wǎng)格劃分效果4）進(jìn)入ANSY助真平臺(tái)的Fluent仿真模塊，設(shè)置求解器類型等相關(guān)設(shè)置，如圖9,并依次對(duì)分析類型、模型材料屬性、邊界條件等±2|Flijefit LauwhtM fSettirig Edit OnlyiOiwwin2D* 3DFluent LauncherOphoftt口2O又立癡Mstfirfli MedePtqc

19、戟 tmgQaow® SehdO p"*相關(guān)參數(shù)進(jìn)行設(shè)置?？?i* 蚓 00 E mt»d G fufiha Wndowi0 wMKfieMorEthwhe 口g Zihi pond *aanl+l Show Mort£ine#l圖9 Fluent 基本設(shè)置窗口選擇求解類型為瞬態(tài)求解，并設(shè)置求解器為壓力基求解器，設(shè)置重力方向?yàn)?Z方向（大小為）,如圖10所示;CentralLtits.Girmtabona Aczrler atari圖10求解設(shè)置激yS Fluent融化-凝固模型，如圖11所示;圖11 Fluent 凝固-融化模型激活在材料定義窗口對(duì)石蠟

20、材料的相關(guān)物理屬性進(jìn)行設(shè)置 （如表1, 包括石蠟材料的密度、比熱容參數(shù)、導(dǎo)入系數(shù)、潛熱參數(shù)、動(dòng) 力粘度以及熱膨脹參數(shù)等物理參數(shù)），如圖12所示wiePraptrteswigrrMljeDdctrweHtdp圖12石蠟物理材料屬性設(shè)置設(shè)置模型邊界條件（熱源溫度、熱流密度、熱對(duì)流等相關(guān)參數(shù)），如圖13所示（設(shè)置內(nèi)壁溫度為350Q;C WdiiTheffJ CoftdhiM生T&h蘆r-lLr電O CflrwecC MfalxnOm«cIO 咐 Coupingm Mapped Ing依uMalefidl 如f 1MMXWI She! CwducWiILaerEdrt圖13模型邊界條

21、件設(shè)置選擇求解器，并對(duì)求解存儲(chǔ)子步等相關(guān)參數(shù)進(jìn)行設(shè)置,最終求解計(jì)算。不考慮石蠟箱體結(jié)構(gòu)與外部環(huán)境的散熱情況,石蠟相變材料隨時(shí)間變化溫度變化及液相體積分?jǐn)?shù)變化整理如下:1.如圖14為入口水溫80c條件下，石蠟結(jié)構(gòu)不同時(shí)刻(50min500min)相變溫度分布云圖，對(duì)應(yīng)液相體積分?jǐn)?shù)分布云圖如圖15所 示。從圖中可以看出，石蠟材料溫度從靠近熱水管管壁位置開(kāi)始得到提升，當(dāng)加熱時(shí)間為500min時(shí)，整體最大相變材料溫度基本達(dá)到 50c左右，同時(shí)液相體積分?jǐn)?shù)與溫度變化基本保持一致。選取特點(diǎn)結(jié)果提 取坐標(biāo)點(diǎn)，提取溫度變化曲線如圖16所示100 minmin400 minmin.550-SZT" MT|-r »(>-> nxzIL 131m41aHi