保溫層厚度對蓄冷設備中蓄冷效果的影響分析

論文題目：保溫層厚度對蓄冷設備中蓄冷效果的影響分析摘要本文針對現有相變蓄冷裝置大容量、高參數、負荷低、效率差等的缺點，以相變蓄冷裝置低成本、高效率為指標，利用蓄冷相變材料和載冷流體在蓄冷裝置內進行換熱，發(fā)明出了一種多管束蓄冷相變材料裝置，該裝置的發(fā)明使深冷液化空氣儲能系統能夠在理想情況下高效、經濟的運行。多管束蓄冷相變材料裝置目前只是存留在理論條件下，為了能夠驗證其在市場中大規(guī)模投入使用，本文首先利用ANSYSICEMCFD軟件的建模功能，在理論的基礎上建立了實體模型；其次，在CFD的環(huán)境下對模型進行了網格的劃分，設置網格尺寸；最后，將網格化后的模型，導入到FLUENT仿真界面，引入載冷空氣和固體石蠟蓄冷相變材料進行蓄冷過程的數值化模擬。本文主要對蓄冷裝置的保溫層進行實驗研究，通過對保溫層材料的選擇，改變保溫層的厚度，來驗證保溫層的厚度對于蓄冷裝置的蓄冷特性有影響。保溫層材料選擇膨脹聚苯乙烯，厚度分別設為20mm、30mm、40mm、60mm等，得出溫度場圖，通過對溫度場圖的分析，得出保溫層的厚度對于蓄冷裝置的蓄冷特性有很大的影響，太薄，會造成冷能的損失；太厚，保溫性很好，但是提高了經濟成本，增大了蓄冷裝置的體積，因此，保溫層厚度存在一個最佳的取值范圍。研究表明，保溫層最佳的取值范圍是120mm-150mm。關鍵詞：蓄冷裝置；CFD建模；網格劃分；數值分析；保溫層論文類型：應用研究目錄1緒論 51.1課題研究的來源及意義 51.2國內外深冷液化空氣儲能的發(fā)展現狀 61.2.1世界對深冷液化空氣儲能的發(fā)展現狀 61.2.2國內對深冷液化空氣儲能的發(fā)展現狀 61.3蓄冷裝置的發(fā)展現狀 71.4本文主要研究內容 72蓄冷裝置模型的設計 82.1擬建實體模型 82.2對蓄冷裝置各個部分的概述 92.3蓄冷裝置的特性 122.4蓄冷裝置的工作原理 123蓄冷裝置網格劃分及保溫層材料的選擇 153.1認識ANSYS 153.1.1ANSYSICEMCFD簡介 153.1.2FLUENT求解器的簡介 163.2對模型進行網格劃分 163.2.1初步網格劃分 163.2.2檢查網格質量 203.3建立數學模型 223.3.1假設理想狀態(tài) 223.3.2控制方程 223.4蓄冷裝置保溫層材料的選擇 233.5保溫層材料熱流密度的計算 244保溫層厚度的有限元仿真分析 264.1初始條件 264.2改變蓄冷裝置保溫層厚度前處理 264.3改變蓄冷裝置保溫層厚度后處理 334.4改變保溫層厚度的仿真分析 385總結與展望 435.1總結 435.2展望 43致謝 45參考文獻 47聲明1緒論1.1課題研究的來源及意義能源從古至今都是人類生存發(fā)展的重要組成部分。隨著社會的發(fā)展、進步，能源問題一直是全世界共同關注的話題，人們對于能源過分的開發(fā)和利用，致使能源出現供不應求的現狀，能源并不是取之不盡用之不竭的，對此，世界上各國都在采取各種各樣的技術來實現對于新能源的開發(fā)和高效、清潔利用。風能作為當下儲存量特別大、可再生的清潔新型能源之一，如果能將它高效的利用，將會解決巨大的能源和環(huán)境污染問題。目前，世界上對于風能最常見的利用方式是風力發(fā)電。風力發(fā)電相較于其他通過化石燃料燃燒來發(fā)電的技術來說，仍然存在著許多的問題。風能雖然在自然界的儲量很巨大，但是它會受到天氣的影響，具有隨機性、間歇性和不可調度性，導致其發(fā)出的電具有較大的電壓波動、閃變和電力電子元件等產生的不可忽略的諧波。因此，風力發(fā)電發(fā)出的電，其電能質量很差，再加上其發(fā)電的不穩(wěn)定性，造成風電不能持續(xù)輸電，尤其是在用電高峰期，利用風能所發(fā)的電很微弱，對于風電并網產生了巨大的問題。為解決這個問題，科學家們研究提出了將風力較大時所產生的富余電能以其他能量的方式儲存起來，在用電高峰期，將這些儲存起來的能量轉化成電能，與風力發(fā)的有限電能混合，達到并網所需的負荷，并入電網中，解決風力發(fā)電并網的難題，儲能技術應用而生。世界上已經研究出了許多種儲能技術，各種儲能技術各自的特點如下表所示：表1-1儲能方式的特性儲能方式 儲能密度Wh/L 效率% 規(guī)模MW 壽命年 安全性 建設資本元/KWh抽水蓄能 0.5~1.5 70~85 100~1000 40~60 比較高 200~1000壓縮空氣 1.8~6 40~70 1~300 20~40 比較高 300~2000鉛蓄電池 30~100 70~75 1 3~5 比較好 1000~2000鋰離子電池 100~200 80~86 0.5~20 8~10 比較好 2000~5000液流電池 20~70 70~80 0.5~10 8~10 比較好 5000~8000鈉硫電池 150~300 75~85 0.5~30 8~10 普通 1500~3000由上表可以看出，抽水蓄能和壓縮空氣儲能，這兩種儲能技術，從規(guī)模、壽命、安全性和建設資本上，都較其他幾種儲能方式要好很多，特別適用于像風力發(fā)電這種大規(guī)模儲能系統的使用。抽水蓄能對于地理環(huán)境的牽制比較大，需要大量的水資源，在使用時不方便。目前，比較常用的技術是壓縮空氣儲能技術。壓縮空氣儲能技術在傳統的技術設施上進行了一定的改良，發(fā)展為現在的深冷液化空氣儲能技術，此技術改掉了傳統儲能技術對于化石燃料依賴、地理條件的約束等缺點，轉換能量所用的介質是到處彌漫的空氣，采集容易且大大降低了運行經濟成本。深冷液化空氣儲能技術在電能的儲存、輸送等領域具有低成本、高效率的優(yōu)點，相信隨著電力行業(yè)的發(fā)展，將扮演著重要的角色。1.2國內外深冷液化空氣儲能的發(fā)展現狀1.2.1世界對深冷液化空氣儲能的發(fā)展現狀早在1977年，史密斯就提出了膨脹和絕熱壓縮空氣的裝置，當時此裝置就已經達到了極高的能量回收效率，其效率為70%。為了達到這么高的效率，史密斯設計了一種能夠承受最低溫度為-200℃，最高為800℃，同時能夠在10000Pa壓力環(huán)境下進行蓄能的裝置。Ameel等人為了能夠使史密斯設計的蓄能裝置在常壓容器內就可以實現對能量的交換、儲存，對空氣液化過程進行了深入的探討，提出了新的克勞德循環(huán)和林德循環(huán)，而在大規(guī)模蓄能系統中，克勞德循環(huán)比林德循環(huán)更為有效[1]。液態(tài)空氣儲能系統最早是在2007年，由工程熱物理所、英國高瞻公司和利茲大學等組成的研發(fā)團隊所開發(fā)出的一項技術，英國HighviewPowerStorage公司利用該技術，生產出額定功率為500KW，儲存容量為2MWh的液化空氣儲能設備，在倫敦地區(qū)已經成功示范運行了。自2011年以來，Highview公司的LAES技術已經被蘇格蘭南方能源公司（SSE）應用于其80MW生物質熱電聯廠的350kW/2.5MWh液化空氣儲能系統中。在2012年末HighviewPowerStorage公司在蘇格蘭建造了一個3500kW的商用系統，并在2014年初建成了8000～10000kW的儲能發(fā)電站。2014年2月，在英國能源與氣候變化部（DECC）的800萬英鎊的資助下，Viridor公司選擇Highview公司設計并建立了一個5MW/15MWh商用示范的液化空氣儲能示范工廠。該液化空氣儲能工廠建造在Viridor公司的垃圾填埋燃氣發(fā)電廠里。在2015年春，英國HighviewPowerStorage公司首次以商業(yè)規(guī)模的形式來示范LAES技術的應用，LAES設施將由GE公司的渦輪發(fā)電機提供動力[2]。1.2.2國內對深冷液化空氣儲能的發(fā)展現狀目前，我國仍然進行著對于深冷液化空氣儲能技術的研發(fā)、安裝、調試過程，該項技術牽涉著多種專業(yè)領域，整個儲能生產鏈是一個復雜而多變的系統，其中就包括著空氣的壓縮、制冷、液化、氣化、膨脹等熱力問題，為了每一個熱力過程都能高效率的運行，就必須通過大量的數據觀測點、控制點、調控點，各個部分之間的關聯比較的緊密，其中不乏缺乏著不可消除的設備誤差等，這些都在一定程度上影響著深冷液化空氣儲能技術在我國的成熟發(fā)展和普遍應用。深冷液化空氣儲能的作用體現在提升電力系統調峰能力與消納棄風電，與我國提倡的低碳能源、可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略相吻合，無容置疑其發(fā)展前景是十分廣闊的。大規(guī)模能量型深冷液化空氣儲能技術，可用于提升某一區(qū)域內電網的調峰能力，對于規(guī)?；蛹{新能源電力，在很大程度對于棄風限電的現象有一定的減弱。1.3蓄冷裝置的發(fā)展現狀隨著蓄冷技術的興起，各行業(yè)對于蓄冷技術的需求越來越大，針對各行業(yè)不同需求，需要設計出不同的蓄冷裝置，目前主要的蓄冷裝置有盤管式蓄冷裝置、封裝式蓄冷裝置、冰片滑落式蓄冷裝置和冰晶式蓄冷裝置等[3]，對于相變材料蓄冷裝置這一方向，技術還不夠的成熟，在此背景下，本文針對液化空氣儲能系統，發(fā)明了適用于100K-400K溫度范圍內運行的相變材料蓄冷裝置。本文所述蓄冷裝置，主要應用于深冷液化空氣儲能的子系統中，分為兩個階段，一個是儲能階段，另一個是釋能階段。儲能階段，將氣體狀態(tài)的高溫高壓空氣，通過蓄冷裝置，與蓄冷裝置內儲存的冷能，進行換熱，得到液體狀態(tài)的空氣；釋能階段，是將低溫低壓的液化空氣，以2m/s速度，從蓄冷裝置中流過，蓄冷裝置利用蓄冷相變材料重新將冷能儲存起來，在蓄冷裝置中做完功的空氣，輸送至膨脹發(fā)電子系統進行膨脹發(fā)電。1.4本文主要研究內容對于傳統蓄冷裝置存在很大的缺點，在實際的生產運行中，造成能源的極大損耗、環(huán)境的污染問題，嚴重制約了深冷液化空氣儲能技術在大范圍內的推廣使用，基于以上問題，在前人理論的基礎上，本文發(fā)明了相變材料蓄冷裝置，并搭建了理論模型，進行數值模擬分析，具體研究內容如下：（1）概述國內外對于深冷液化空氣儲能技術的發(fā)展現狀及儲冷罐在深冷液化空氣儲能系統中的應用。（2）發(fā)明了一種用于深冷液化空氣儲能系統的蓄冷裝置。本文針對深冷液化空氣儲能系統的工作原理，并結合熱力學所掌握的知識，設計了深冷液化空氣儲能子系統在釋能階段所必須的蓄冷裝置模型。該模型包括殼體、端蓋、中心肋片和管束。（3）利用ANSYS軟件及基于ANSYS軟件對蓄冷裝置的設計過程本文首先針對于ANSYSICEMCFD軟件進行模型的創(chuàng)建，通過自主學習和結合大學所學的傳熱學知識，創(chuàng)造性的創(chuàng)建了此蓄冷罐模型，緊接著利用CFD網格化功能，對模型進行修改及網格劃分，最后利用FLUENT對蓄冷罐進行自然對流仿真，得到動態(tài)溫度分布圖，對其進行分析。（4）基于ANSYSFLUENT仿真軟件結果進行分析本文所涉及的領域為保溫層厚度對蓄冷罐蓄冷效果的影響，通過不斷地改變保溫層的厚度，得到不同的動態(tài)溫度分布特性圖，來確定最佳的保溫層厚度。2蓄冷裝置模型的設計2.1擬建實體模型本文為了能夠得出較為準確的結果，采用整體法對課題進行研究。為了深入了解多管束蓄冷相變材料裝置的傳熱效果，在ANSYSICEMCFD環(huán)境下建立了該多管束蓄冷相變材料裝置的三維模型，本蓄冷裝置是一種多管束蓄冷相變材料裝置，其包括殼體、端蓋、中心肋片和管束，殼體為圓筒狀，殼體的兩端分別可拆卸連接有一個端蓋，各中心肋片的第一側邊固定于殼體的內側壁上，相鄰的兩個中心肋片的第二側邊固定連接，相鄰的兩個中心肋片之間形成一個扇形區(qū)，各扇形區(qū)內設置有一個管束，管束固定于兩個端蓋上，且管束的兩端均與外界連通，管束包括一個中心圓管、多個周邊圓管和多個連接肋片，一個周邊圓管通過一個連接肋片與中心圓管固定連接，管束用于承載載冷流體，殼體與管束之間用于填充相變蓄冷介質。該裝置極大的提高了蓄冷效果，達到小容量高效率的目標，提高蓄冷裝置的有效利用率，降低制冷系統的裝機容量，其實體結構如圖2-1所示。圖2-1三維實體模型多管束蓄冷相變材料裝置主要由鑄鐵制成，中心肋片與保溫層內壁焊接在一起，構成蓄冷裝置的內部框架，中心肋片將蓄冷裝置分割成四個部分，其中每一部分構成一個小的系統，每個系統是由七根碳鋼制成的小圓管及連接七根小圓管的直肋片組成，小圓管及直肋片通過焊接在蓄冷裝置兩端的端蓋而固定位置的。蓄冷裝置的詳細尺寸：（1）整體結構如圖4所示為圓柱體：直徑為460mm、高380mm。（2）內部小圓管直徑20mm，高420mm，共有四部分，每部分由七根管子組成，周圍管子與中心管子的距離為15mm。（3）中心管子垂直與水平距離200mm（管子中流過載冷流體）。（4） 保溫層外壁直徑為480mm，也就是說保溫層厚度為40mm。2.2對蓄冷裝置各個部分的概述（1）蓄冷裝置殼體的保溫層為了能夠給相變蓄冷介質和空氣對流換熱時提供必須的反應場所，蓄冷罐中的整個蓄冷系統與外界分隔開，從而避免外界環(huán)境的干擾，本文在蓄冷罐外部覆蓋有40mm的保溫層。圖2-2保溫層結構（2）蓄冷裝置載冷流體傳輸通道中心圓管和周邊圓管的軸向方向與殼體的軸向方向一致。中心圓管的兩端分別穿過兩個端蓋伸至外部，周邊圓管的兩端分別穿過兩個端蓋伸至外部，雪花狀肋片的長度與殼體的長度相同。各雪花狀肋片肋片與中心圓管連接的側邊均與殼體的中心軸線平行，載冷流體在圓管進口處以2m/s的速度流入，在圓管內部與蓄冷相變材料發(fā)生一系列反應之后，從圓管出口處流出，載冷流體整個過程都在圓管內進行。圖2-3圓管束（3）蓄冷裝置的肋片中心肋片，它處于整個蓄冷裝置的中心位置，將整個蓄冷罐內部分為四個區(qū)域，每個區(qū)域都由相同的構造組成，將蓄冷罐整個大的系統，分為四個小的系統，每個系統都相互關聯在一起，能夠對載冷流體和蓄冷相變材料的換熱過程起到強化的作用。圖2-4中心肋片雪花狀肋片，它用于連接中心圓管與其它六根圓管，使得圓管成為一個整體固定在蓄冷裝置內部。圖2-5雪花狀肋片根據肋片傳熱的特點，等截面直肋片在表面上傳播熱量其方向是不斷變化的，其表面不僅有對流傳熱，而且存在輻射傳熱，從而肋片增大了蓄冷裝置在換熱過程的表面積，極大的提高了表面?zhèn)鳠嵯禂?，起到了一定積極的傳熱效果。（4）蓄冷裝置的端蓋為了使相變材料在蓄冷罐內部填充，使其在固定的區(qū)域內流動，本文采用給蓄冷裝置加上下端蓋，這樣不僅可以為蓄冷相變材料提供必要的反應場所，而且可以固定四組圓管束，使其不易在蓄冷罐中隨意改變位置，對蓄冷裝置進行實際操作時帶來不便。圖2-6模型端蓋蓄冷相變材料填充于圓管、雪花狀、保溫層內壁的空腔部分。蓄冷相變材料與小圓管中流通的載冷流體進行著能量的交換，相變蓄冷材料吸收載流流體的冷能，將其自身的熱量傳遞給載流流體，載冷流體溫度升高，蓄冷相變材料通過相變潛熱將所吸收的冷能儲存了起來。2.3蓄冷裝置的特性一種多管束蓄冷相變材料裝置，其主要特點在于，包括殼體、兩個端蓋、多個中心肋片和多個管束，殼體為圓筒狀，殼體的兩端分別可拆卸連接有一個端蓋，各中心肋片包括兩個平行的第一側邊和第二側邊，各中心肋片的所述第一側邊固定于殼體的內側壁上，且第一側邊與殼體的中心軸線平行，相鄰的兩個中心肋片的第二側邊固定連接，相鄰的兩個中心肋片之間形成一個扇形區(qū)，各扇形區(qū)內設置有一個管束，管束固定于兩個端蓋上，且管束的兩端均與外界連通，管束包括一個中心圓管、多個周邊圓管和多個連接肋片，多個周邊圓管分布于中心圓管的周邊，一個周邊圓管通過一個連接肋片與中心圓管固定連接，中心圓管和周邊圓管用于承載載冷流體，殼體與管束之間用于填充相變蓄冷介質。（1）多管束蓄冷相變材料裝置，其特點在于，中心圓管和周邊圓管的軸向方向與殼體的軸向方向一致。（2）多管束蓄冷相變材料裝置，其特點在于，中心圓管的兩端分別穿過兩個端蓋伸至外部，周邊圓管的兩端分別穿過兩個所述端蓋伸至外部，連接肋片的長度與殼體的長度相同。（3）多管束蓄冷相變材料裝置，其特點在于，多個周邊圓管沿周向均勻分布于中心圓管外部。（4）多管束蓄冷相變材料裝置，其特點在于，各連接肋片與中心圓管連接的側邊均與殼體的中心軸線平行。（5）多管束蓄冷相變材料裝置，其特點在于，殼體外覆蓋有保溫層。（6）多管束蓄冷相變材料裝置，其特點在于，中心肋片的長度與殼體的長度相同。（7）多管束蓄冷相變材料裝置，其特點在于，各中心肋片的第二側邊交匯于殼體的中心軸線處。（8）多管束蓄冷相變材料裝置，其特點在于，任意兩個相鄰的中心肋片的夾角相同。2.4蓄冷裝置的工作原理本文的目的是提供一種多管束蓄冷相變材料裝置，極大的提高了蓄冷效果，達到小容量高效率的目標，提高蓄冷裝置的有效利用率，降低制冷系統的裝機容量。圖2-7蓄冷裝置示意圖如圖2-7所示，本文提供一種多管束蓄冷相變材料裝置，包括殼體1、兩個端蓋、多個中心肋片2和多個管束3，殼體1為圓筒狀，殼體1的兩端分別可拆卸連接有一個端蓋，具體地，端蓋與殼體1通過卡接方式連接。各中心肋片2包括兩個平行的第一側邊和第二側邊，各中心肋片2的第一側邊固定于殼體1的內側壁上，且第一側邊與殼體1的中心軸線平行，相鄰的兩個中心肋片2的第二側邊固定連接，相鄰的兩個中心肋片2之間形成一個扇形區(qū)4，每個扇形區(qū)4構成一個單獨的系統，各扇形區(qū)4內設置有一個管束3，管束3固定于兩個端蓋上，且管束3的兩端均與外界連通，管束3包括一個中心圓管31、多個周邊圓管32和多個連接肋片33，多個周邊圓管32分布于中心圓管31的周邊，一個周邊圓管32通過一個連接肋片33與中心圓管31固定連接，中心圓管31和周邊圓管32用于承載載冷流體，殼體1與管束3之間用于填充相變蓄冷介質，相變蓄冷介質為受到微弱溫度變化即發(fā)生相變的材料。具體地，相變蓄冷介質為CaCl2·6H2O、MgSO4·3H2O、NaSO4·10H2O、固體石蠟、十四烷或硬脂酸酯。本文通過設置中心圓管31和周邊圓管32作為載冷流體的通道，使得中心圓管31和周邊圓管32中的載冷流體與相變蓄冷介質充分接觸，防止其與相變蓄冷介質混合，連接肋片33能夠增加相變蓄冷介質與載冷流體對流時的傳熱面積，并且增加了表面?zhèn)鳠嵯禂担M而增強載冷流體與相變蓄冷介質的對流換熱效果，并調控內部環(huán)境的溫度，極大的提高了蓄冷效果，達到以小容量實現高效率蓄冷的目標，提高蓄冷裝置的有效利用率，降低制冷系統的裝機容量。此外，連接肋片33使得中心圓管31和周邊圓管32呈分散狀設置于各扇形區(qū)4中，使得中心圓管31和周邊圓管32中的載冷流體能夠與整個扇形區(qū)4范圍內的相變蓄冷介質進行充分換熱，提高蓄冷效果。圖2-8蓄冷裝置截面圖使用時，打開端蓋，向殼體1內填充相變蓄冷介質，再蓋好殼體1兩端的端蓋，向管束3內通入一定流速的載冷流體，當具有一定流速的載冷流體流經周圍填充有相變蓄冷介質的中心圓管31和周邊圓管32時，由于溫差會與相變蓄冷介質發(fā)生對流換熱的物理現象，載冷流體被壓縮，放出熱量，壓力升高，流速加快，強化換熱效果；而相變蓄冷介質溫度降低，發(fā)生相變，相變蓄冷介質發(fā)生相變潛熱，將載冷流體的釋放的冷能儲存起來，從而實現儲蓄冷能的技術，即將載冷流體的冷能，通過相變而儲存在多管束蓄冷相變材料裝置當中。同時，還可根據實際需求調整載冷流體的流速，使其達到最優(yōu)的蓄冷效果。于本文中，中心圓管31和周邊圓管32的軸向方向與殼體1的軸向方向一致。中心圓管31的兩端分別穿過兩個端蓋伸至外部，周邊圓管32的兩端分別穿過兩個端蓋伸至外部，連接肋片33的長度與殼體1的長度相同。各連接肋片33與中心圓管31連接的側邊均與殼體1的中心軸線平行。為了使得整個扇形區(qū)4的換熱效果更加均勻，多個周邊圓管32沿周向均勻分布于中心圓管31外部，具體地，周邊圓管32設置為六個。殼體1外覆蓋有保溫層5，設置保溫層5是為了給相變蓄冷介質和空氣對流換熱時提供必須的反應場所，能夠將外界環(huán)境與保溫層5內環(huán)境隔開，減少外界環(huán)境對于殼體1內系統的干擾。具體地，保溫層5的材質為氣凝膠氈或聚氨酯泡沫。中心肋片2的長度與殼體1的長度相同。為了將殼體1均分為多個扇形區(qū)4，各中心肋片2的第二側邊交匯于殼體1的中心軸線處，且任意兩個相鄰的中心肋片2的夾角相同。具體地，中心肋片2設置為四個。3蓄冷裝置網格劃分及保溫層材料的選擇3.1認識ANSYS隨著第三次工業(yè)革命對于計算機發(fā)明，致使現如今計算機普遍應用于世界的各個角落，對于產品的設計、研發(fā)，計算機成為其必不可少的工具，CAE（computeraidedengineering）技術應用而生[4]。在眾多的有限元分析軟件中，ANSYS無疑其其中功能最為強大，應用領域最為廣闊的一種軟件。ANSYS現在已經發(fā)展到了19.0版本了，可見市場對于ANSYS功能的需求量越來越大，隨著版本的更新換代，現在已經構成了一條完整的體系，集前處理、計算分析、后處理于一體，方便使用者在不需要借助其他軟件的幫助下，就能夠獨立完成所需要的結果。本文主要借助于ANSYS軟件內的ANSYSICEMCFD進行建模、網格劃分和FLUENT有限元分析計算。3.1.1ANSYSICEMCFD簡介ANSYSICEMCFD是ANSYS軟件內的一個集成建模、網格劃分等前期處理的功能的一款軟件，本文利用其強大前處理能力，構建了多管束蓄冷相變材料裝置，并在其內部進行網格劃分，得到高質量的網格，為流體有限元分析提供了有效的保證[5]。網格就是由三角形、四邊形等形狀的圖形，將模型的整個面劃分成無數個小區(qū)域，每個區(qū)域都會與相鄰區(qū)域公用一條邊，在邊界的交界處，便會形成共用節(jié)點，整個網格化后的模型，就會形成無數多個離散的點，建立相應離散方程，就能夠知道，每個節(jié)點上的溫度、速度、壓力等參數，這些節(jié)點就像是安裝在每個位置的溫度表、壓力表，實時監(jiān)控節(jié)點參數的變化，擁有了網格化后，對于仿真分析求解就方便許多，克服了傳統做實驗研究帶來設備缺乏、操作困難等方面的缺陷。ICEM網格劃分工具具有極強的可操控性能，使用者不需要過多的去一步一步設置，依據其強大的自處理能力，自動修復漏洞，自動生成網格，只需要對網格尺寸根據自己的需求設置相應的參數，對網格的形狀根據自己的喜好進行設置。對于模型構建具有極其簡便的方法，讓初學者一學就懂；幾何修改操作那更是方便快捷，通過不同的顏色來區(qū)分每一個面，如果有幾何重疊的部分，通過顏色便能一眼區(qū)分出來，除此之外，點、線、面、體的刪除也很方便；智能化網格生成方法和網格質量提高的方法都是非常先進的對于存在復雜的流體仿真分析時，流動區(qū)域多發(fā)生在不規(guī)則的模型區(qū)域內，對于不規(guī)格網格的劃分要求就比較的高，其網格生成的質量對于流體速度場、壓力場、溫度場的分析將產生較大的分歧，自從貼體網格方法的應用，很好的解決了不規(guī)則區(qū)域內網格質量差的問題，網格生成的方法已經一種解決流體分析問題最為有效的方法，它是一款極具自動智能化的軟件，同時還在隨著社會的發(fā)展，不斷地更新換代，越來越受到人們的喜愛。3.1.2FLUENT求解器的簡介FLUENT求解器是ANSYS公司旗下一款用來模擬復雜流體流動的軟件，應用于流體仿真、聲音傳播、機械裝置等的應力分析[6]，它擁有極強的網格化識別性能，能夠將網格的質量以文字的形式，做出一份詳細的報告，用戶只需通過報告的內容進行改進。軟件本身還收納著許多材料的基本參數，為了使用方便，也可以自行添加所需的材料，定義材料的屬性，設置邊界條件，擁有著成熟的物理模型，能夠對流體流動的各種環(huán)境進行設置，不僅可以模擬一種流體，還可以模擬幾種流體從不同的方向流動。在仿真計算中，殘差值的收斂、計算結果的準確度都是極高的，能夠得到溫度場、速度場、壓力場等圖標，用戶可以根據顏色的變化梯度，看出流體在各個過程的動態(tài)仿真過程。3.2對模型進行網格劃分本文所建模型為非結構體，下面我們將就針對非結構體網格生成的方法對上述模型進行網格劃分。3.2.1初步網格劃分本文在上述模型建立完成的基礎上，由于ANSYSFLUENT軟件內部沒有進行模型修改及網格劃分的工具，所以我下面將進行的工作內容是對多管束蓄冷相變材料裝置的網格劃分。根據多管束蓄冷相變材料裝置的幾何特點及其實際用途，此多管束蓄冷相變材料裝置內部存在四種材料，分別為載冷空氣、鑄鋼、蓄冷相變材料、保溫層材料，考慮到蓄冷裝置內部結構比較緊密、復雜，而且載冷空氣在蓄冷罐中的流動狀態(tài)為湍流，所以在此次網格劃分中，我采用的是三角形網格，考慮到載冷空氣與蓄冷相變材料總的換熱面積占整個面積的比列相對較小，但是溫度變化比較明顯，所以我對小圓管束、中心肋片、雪花狀肋片、及保溫層進行了網格加密。圖3-1三角形網格幾何模型已經修改完成，并且已經創(chuàng)建好了Part、定義了BODY的基礎上，對整個模型進行網格劃分。首先我對整個模型進行網格參數的定義，由于網格化對于電腦性能有極高的要求，在此局限性下，我將全局網格參數scalefactor定義為6mm、Maxelement定義為0.8mm。其次對各個Part進行網格參數的設定，我將ZAILENG-IN和ZAILENG-OUT的最大網格質量尺寸（maxsize）設定為8mm，將XULENG-IN和XULENG-OUT的最大網格尺寸設定為6mm，點擊Apply，選擇File-Geometry-SaveGeometryAs，保存此時的幾何模型。棱柱網格尺寸參數如圖所示。完成上述步驟之后，便可以生成網格了。圖3-2載冷空氣進、出口網格尺寸圖3-3蓄冷相變材料進、出口網格尺寸（a）截面網格圖（b）三維實體網格（c）圓管網格圖（d）中心肋片網格圖圖3-4網格化的模型通過對于各個結構網格化后的獨立觀察，可以大概確定，已經將整個三維模型的各個面都做到了三角形網格化。3.2.2檢查網格質量我們不能僅僅是將網格分劃好了之后就直接導入到FLUENT內直接進行流體的仿真，那樣的做法是不正確的，不能夠急于求成，而忽略網格質量的好壞對于仿真結果的影響。網格質量比較低的時候，對于流體的仿真將會出較大的誤差，尤其是在存在相變的流體仿真中，其內部環(huán)境及其的復雜，較差的網格將會得到錯誤的結果，極大的偏離實際生活中的常識，下面就將針對網格質量進行檢查。圖3-5網格質量柱狀圖如圖2-13所示，此柱狀圖即反映出模型網格質量情況，由橫坐標可以看出，整個模型網格質量在0.2-1的區(qū)間內，相對來說，網格質量處于中等偏上，仍需要對其進行相應的提高。圖3-6提高后的網格質量柱狀圖通過對于網格的調整，我得到了如圖所示調整完網格質量之后的柱狀圖，從圖中可以看出，整個模型網格化后的質量均集中在了0.25-1之間，并且，與上圖相比較，0.3所占比例有所減少，整個模型網格質量分布較為均勻，網格質量有了顯著的提高。整個仿真計算前的準備工作，到此就告一段落，下面我將進行整個課題最關鍵的部分，通過改變保溫層的厚度，進行仿真計算。3.3建立數學模型根據整個裝置的工作原理，我歸納出五個傳熱過程：首先是載冷流體與鑄鋼圓管之間的傳熱，其次是鑄鋼圓管與雪花狀肋片之間的傳熱，然后是蓄冷相變材料與鑄鋼圓管之間的傳熱，最后是中心肋片及雪花狀肋片與鑄鋼圓管之間的傳熱。其中還包含保溫層對于外界環(huán)境與蓄冷相變材料和中心肋片的傳熱過程。3.3.1假設理想狀態(tài)（1）載冷空氣在圓管進口處以2m/s的速度流入，流動過程中不存在能量的損失。（2）蓄冷相變材料完全填充于蓄冷裝置的整個空腔內部，與小圓管、雪花狀肋片、中心肋片緊密貼合。（3）蓄冷相變材料在整個蓄冷過程中導熱系數、比熱容、蓄冷密度、動力粘度等保持不變。（4）保溫層能夠完全隔斷外界環(huán)境的干擾。3.3.2控制方程本文中模型在整個傳熱過程中，沒有存在模型的變形和斷裂情況，是通過進口和出口處載冷流體溫度、壓力、速度等參數作比較來分析的，在不影響蓄冷裝置的傳熱過程的前提下，進行數學建模。整個蓄冷裝置是封閉環(huán)境（除了載冷流體的進口和出口），蓄冷相變材料充滿于多管束蓄冷相變材料裝置內部空腔內，它主要是通過與圓管壁和雪花狀肋片、中心肋片相接觸來進行熱傳導。從外觀上看，此裝置呈現為一個圓柱狀，在此基礎上建立熱平衡方程如下：（3-1）式中：p—密度（kg/m3）；λ—導熱系數（w/（m·k））；T—溫度（℃）；H為蓄冷相變材料溫度的總焓，由顯熱h和潛熱?H兩部分構成[7]。3.4蓄冷裝置保溫層材料的選擇多管束蓄冷相變材料裝置在整個蓄冷過程中，為了保證內部能量守恒，不被流失，特此采用加以一定厚度的保溫層來遏制能量的流失。常見的保溫材料有以下兩種：表3-1無機保溫材料材料分類 材料名稱 密度（Kg/m3） 導熱系數w/（m?k）玻化微珠 240-300 ≤0.085 優(yōu)點：防火、阻燃，克服了膨脹珍珠巖吸水率大易粉化等。缺點：強度相對較低、吸水率偏高、保溫效果一般。 巖棉板 80-340 0.041-0.045 優(yōu)點：防火，阻燃。缺點：吸濕性大，保溫效果差 陶瓷保溫板 280 0.08-0.10 優(yōu)：防火、不燃、不吸水、施工方便、使用耐久。 珍珠巖等漿料 300-400 0.07-0.09 優(yōu)：防火性好、耐高溫。缺：保溫效果差，吸水性高。表3-2有機保溫材料材料分類 材料名稱 密度（Kg/m3） 導熱系數w/（m?k）膨脹聚苯板（EPS板） 24.7-37.8 0.037-0.041 優(yōu)點：具有質輕、價格低廉保溫效果好。缺點：強度稍差。 擠塑聚苯板（XPS板） 29 0.033 優(yōu)點：保溫效果比膨脹聚苯板要更好一些、強度也更高一些。缺點：價格稍貴，施工時板材表面需要進行界面處理。 酚醛保溫板 80-120 0.018-0.024 優(yōu)點：防火、保溫性能好。缺點：脆性大、易粉化、施工不變，價格昂貴。到底選用哪種，必須要考慮以下幾個方面。（1）保溫材料獲取方便，便于購買。（2）保溫材料材質要易裁剪，因本文所述蓄冷罐尺寸不是常規(guī)的，必須要人工進行剪切。（3）保溫層材料必須是綠色無污染、無毒無害的物質，現在全世界都在提倡保護環(huán)境，所以不能夠采用不能回收利用的，防止對環(huán)境造成污染。（4）保溫材料必須是密度低、傳熱系數小、保溫性能好的材質。價格低廉，使用壽命長，耐腐蝕的材質。根據表3-1、3-2可知，首先在無機材料與有機材料的對比下，發(fā)現無機材料的密度和導熱系數都較有機材料高，而且保溫效果也沒有有機材料的效果明顯；其次，在有機材料在進行選擇，酚醛保溫層材料密度較大，容易使蓄冷裝置造成較大的負擔，無形中增加了蓄冷裝置的重量，造成安裝、搬運困難；最后在膨脹聚苯板和擠塑聚苯板進行選擇，兩種材料的密度、導熱系數都相差不大，擠塑聚苯板比膨脹聚苯板保溫效果更好，但是擠塑聚苯板價格較昂貴，使用前還需要進行界面處理，對于使用造成不便。綜上所述，本文保溫層材料選擇膨脹聚苯板。3.5保溫層材料熱流密度的計算在進行材料屬性的時候，選中baowenceng，然后點擊Edit，就會彈出保溫層材料參數的設定，其中會出現HeatFlux這個名詞，它代表的是熱流密度，根據傅里葉定律，我們可以知道，熱流密度的表示式可以寫為：（3-2）式中：q—熱流密度（w/m2）；λ—導熱系數w/（m·k）；—保溫層外壁溫度（℃）；—保溫層內壁溫度（℃）；—保溫層厚度（m）；[8]本文保溫層厚度是不斷的變化的，將變化后的厚度及保溫層其他參數代入到上式，就會得到不同厚度下的熱流密度。表3-3膨脹聚苯乙烯的參數厚度mm 表面?zhèn)鳠嵯禂礹W/（m2·K） 導熱系數λW/（m·K） 熱流密度qW/m210 0.012 0.037-0.041 11020 0.012 0.037-0.041 5530 0.012 0.037-0.041 36.6740 0.012 0.037-0.041 27.5050 0.012 0.037-0.041 2260 0.012 0.037-0.041 18.3380 0.012 0.037-0.041 13.75100 0.012 0.037-0.041 11120 0.012 0.037-0.041 9.17通過對表3-2中膨脹聚苯乙烯數據參數的分析，可以看出，隨著保溫層厚度的增加，保溫材料的熱流密度是在逐漸的減小的，與截面積增大，單位面積上的熱流密度減小的理論知識相吻合。4保溫層厚度的有限元仿真分析本文在第三章已經詳盡的介紹了模型的創(chuàng)建、修改和模型的網格劃分、網格質量的提高，本節(jié)將會講述網格化模型導入至FLUENT求解器當中對流體的蓄冷過程進行仿真。4.1初始條件（1）載冷流體為空氣，在小圓管內流通，其進口速度為2m/s，進口壓力為1.013×105Pa，進口溫度為100K。（2）蓄冷相變材料填充蓄冷裝置內，保持靜止，不發(fā)生流動，初始溫度為400K。（3）保溫層材料采用膨脹聚苯板，其初始溫度定為300K，導熱系數取0.04W/（m··K），表面?zhèn)鳠嵯禂禐?.012W/（m2·K）。（4）保溫層初始狀態(tài)，其兩側的溫度均為300K。4.2改變蓄冷裝置保溫層厚度前處理下面將進行載冷空氣在多管束蓄冷相變材料裝置中換熱過程的模擬，在此期間，必然會出現一系列的問題，我們將會通過相互幫助、相互討論，以及詢問老師的方式，去對待最后一項工作內容。1. 將已經網格化好的模型導入FLUENT環(huán)境界面。圖4-1導入網格數據點擊FLUENT圖標，將會出現FLUENT啟動界面上，在界面上將規(guī)格選為3D、處理器選為Serial，其余選項保持默認。2. 對網格進行設置、檢查首先，將網格尺寸單位設置為mm，在控制面板左側點擊General→Mesh→Scale→ScaleMesh→ViewLengthUnitIn[9]，在下拉菜單中選擇mm。由下圖，可以看出，模型X軸的最大尺寸為2300mm，最小尺寸為-2300mm，與最初設定的幾何尺寸所吻合；Y軸方向上的最大長度為2300mm，最小長度為-2300mm，因為模型為圓柱形，所以X軸和Y軸最大、最小尺寸相同；Z軸的最大高度為5400mm，最小高度為1400mm。圖4-2設置調整網格尺寸單位其次，進行網格的檢查工作。雖然前期已經對網格質量檢查并調整過了，但是將網格導入到FLUENT內，可能存在數據的丟失，網格質量的破壞。圖4-3網格檢查然后，將網格顯示在三維直角坐標系中。在菜單欄中，點擊Display，在彈出的對話框內，EdgeType選擇All，其余各選項保持默認，點擊Display，即可顯示網格，在坐標系中，利用鼠標用肉眼查看各個部分網格分布情況，并將網格化后的模型調整到中間位置，以X、Y軸平面顯示，便于下一步的操作。圖4-4顯示網格最后，對求解類型和模型進行設置。求解類型Type選擇Pressure-Based，VelocityFormulation選擇Absolute，Time的類型選擇Steady；設置模型為物理模型，在ViscousModels對話框中選擇K-epsilon（2eqn）[10]，其余各參數保持默認。圖4-5求解類型、物理模型的設置3.設置材料屬性在整個多管束蓄冷相變材料裝置內存在以下幾種材料：空氣、鑄鋼、蓄冷相變材料選擇固體石蠟、保溫層材料選擇膨脹聚苯乙烯。（1）載冷流體材料選擇空氣，空氣溫度在100K時，其密度為1.255Kg/m3，導熱系數為0.0242W/（m·k）。（2）鑄鐵材料主要用于制作中心肋片、雪花狀肋片、小圓管束、保溫層內壁和外壁。肋片的厚度定義為20mm，小圓管的厚度定義為10mm，保溫層內外壁厚度定義為40mm。鑄鐵的密度為42~90W/（m·k）、鑄鋼的導熱系數為35~45W/（m·k），由此可以判斷鑄鐵的熱傳導性能比鑄鋼的要好。（3）蓄冷相變材料選擇固體石蠟，導熱系數：15.1x102W/（m·k），相變潛熱：256KJ/KG，動力粘度：5～16（mm2/s100℃）。圖4-6選擇材料圖4-7設置空氣材料屬性4.設置邊界條件首先進行對于區(qū)域的劃分，對區(qū)域進行邊界的設定。點擊左側控制面板中的CellZoneConditions，在彈出的菜單中設置材料名稱為Created-Material。圖4-8設置區(qū)域邊界條件其次，對入口進行邊界條件的設置。本文將載冷空氣入口時的速度定義為2m/s，壓強為101325Pa；蓄冷相變材料選擇的是固體石蠟，只要當石蠟融化時才具有流動情況，蓄冷裝置啟動前，固體石蠟的狀態(tài)仍為固體，所以蓄冷相變材料的初始速度定義為0，壓力也為0。圖4-9載冷空氣初始條件圖4-10蓄冷相變材料初始條件然后，對出口邊界條件和墻面邊界條件進行設置。出口分為兩種，一種是載冷空氣從小圓管中流出，另外一種是蓄冷相變材料的出口。本蓄冷裝置的工作原理是在冷空氣從小圓管束的進口流入，通過管壁、中心肋片、雪花狀肋片與蓄冷相變材料的換熱，載冷空氣溫度降低，相應的流速也會發(fā)生變化，流體的速度是隨時變化的，本文蓄冷裝置進行的是穩(wěn)態(tài)熱分析，僅需將材料的導熱系數定義好，將載冷流體的出口速度設為自定義，出口速度根據整個裝置仿真結果來得到的。蓄冷相變材料，本文采用固態(tài)石蠟，定義為靜止狀態(tài)，無速度的變化。圖4-11空氣出口邊界條件圖4-12蓄冷相變材料出口條件本文中，將未設置的中心肋片、雪花狀肋片、小圓管、保溫層內外壁等區(qū)域設為墻壁。圖4-13墻面設置4.3改變蓄冷裝置保溫層厚度后處理上述步驟，已經完成對于網格化后模型的材料屬性、各區(qū)域邊界條件的設置等前期的處理工作，下面將要進行的是本文的中心主題，對于多管束蓄冷相變材料保溫層厚度的變化，所帶來的影響。1、多管束蓄冷相變材料裝置保溫層材料的參數此蓄冷裝置的保溫材料選擇膨脹聚苯乙烯（EPS板），其初始溫度定為300K，導熱系數取0.04W/（m··K），表面?zhèn)鳠嵯禂禐?.012W/（m2·K）[11]。2、保溫材料屬性的設置（1）設置保溫層厚度在本次設計中，我們將保溫層厚度設置為40mm、保溫層材料為膨脹聚苯乙烯（EPS板），其初始時刻，保溫層兩側溫度外壁溫度保持在27℃、內壁溫度保持在-0.5℃；導熱系數取0.04W/（m·K）；表面?zhèn)鳠嵯禂禐?.012W/（m2·K）[12]。此時的熱流密度為：（4-1）（2）在FLUENT界面上，對保溫層材料屬性進行設置。圖4-14保溫層材料參數設置圖4-15初始化設置（3）設置迭代次數。對于非定常流體仿真計算，無法判斷迭代次數取多少合適，初次設置，將迭代次數設置為200步，觀察殘差圖。圖4-16迭代步數圖4-17初始殘差圖界面白色（continuity），代表動量方程；紅色、綠色、藍色（X-velocity、Y-velocity、Z-velocity）分別表示在X、Y、Z軸方向上速度的變化關系[12]；乳白色（energy）表示能量方程，隨著迭代次數的變化而變化。一般情況下，速度先發(fā)生變化，可以看出Z軸速度在迅速增大、Y軸方面在緩慢增加、X軸方向在急劇減小的趨勢，代表著冷空氣已經開始向蓄冷裝置內流入，蓄能過程開始，緊接著就是能量隨之發(fā)生微弱改變，動量方程是最后發(fā)生變化的。殘差圖不會影響仿真計算分析的結果，只是對于計算過程進行實時的監(jiān)測，即使的將能量、速度、動量等以動態(tài)曲線圖即時的反饋在控制界面上，給使用者最直觀的感受。圖4-18迭代200次在殘差圖上，我們可以清晰的發(fā)現各個曲線所代表殘差值沒有降低到10-3以下，文本顯示窗口也并未出現Solutionisconverged字樣，表示各變量的殘差值并未達到收斂的標準，在原有的基礎上繼續(xù)將迭代次數設置為200次進行計算，重復上述步驟，得到600次后的殘差圖。圖4-19迭代600次觀察殘差圖發(fā)現，所有曲線都已經處于穩(wěn)定狀態(tài)，說明計算結果將不會在隨著迭代次數的增加而發(fā)生變化了，此時，基本就可以認為物理量的殘差值收斂。（4）流體計算已經結束，此時在最左次控制面板上點擊GraphicsandAnimations，然后在跳出的對話框內雙擊Contours，Surface欄選擇全選，在Contoursof下拉菜單欄[13]內可以選擇壓力、速度、溫度等的云圖。圖4-20溫度場云圖上圖中，左側圖例代表溫度，從下往上是溫度變大的方向。在此圖中，最低溫度是9.84K，最高溫度為400K，紅色區(qū)域溫度最高，代表當時蓄冷相變材料的溫度并未發(fā)生變化，是初始時刻，也是載冷空氣入口。圖4-21保溫層溫度場圖4-22出口處溫度分布云圖當蓄冷裝置，保溫層厚度為40mm時，我們得到如圖所示的溫度場。從圖中可以看出，隨著時間的變化，保溫層的溫度從載冷流體的入口到出口方向上變得越來越低，溫度的分布梯度非常明顯。由于，整個蓄冷裝置是呈現圓柱狀，每部分圓管束在其中的分布并不是均勻的，導致蓄冷相變材料分布不均，就會出現上圖所示淺綠色和淡藍色相間的情況。本次計算結果，可以明顯的看出，保溫層對于蓄冷裝置蓄冷特性的影響非常的大，保溫層能夠很好的保護蓄冷裝置內部的冷能不被外界所吸收，起到一定的保溫效果。4.4改變保溫層厚度的仿真分析為了能夠得到更加直觀的明白保溫層厚度是怎樣的影響蓄冷裝置的蓄冷效果，現分別將保溫層的厚度設置為20mm、40mm、60mm、80mm、120mm等幾種不同的厚度，對蓄冷裝置的蓄冷特性進行觀察。（a）20mm（b）30mm（c）40mm（d）60mm（e）80mm（f）100mm（g）120mm（h）150mm圖4-23不同厚度保溫層溫度場在圖4-23中，a、b、c、d、e、f、g、h八幅圖分別表示的是保溫層厚度為20mm、40mm、60mm、80mm、100mm、120mm、150mm下的保溫效果圖。20mm與30mm的溫度場明顯和其他四幅有著明顯的區(qū)別，在20mm、30mm的溫度場分布圖中，主要呈現的是藍色，代表的溫度在174K以下，可以說溫度已經已達到零下了，這就說明此時保溫層對于蓄冷裝置內部的冷能保護的不好，外界環(huán)境溫度普遍在20℃以上，很容易造成保溫層與外界空氣能量的轉換，冷能的散失，說明其保溫效果不好。反觀，40mm、60mm、80mm、100mm、120mm、150mm這六幅圖，其溫度場很好的反應了蓄冷裝置K內部的溫度變化，顏色分層比較的明顯，從入口處355-385K相對較高的紅色，變至159-189K之間，溫度的差還是比較明顯的。溫度場的分布很有特點，可以看到，中心肋片與保溫層焊接部分周圍的溫度為174K左右，沒有接觸周圍溫度為219K左右，溫差還是比較的大，從另一個方面說明了在肋片上存在著能量的傳遞，所以數值模擬得出的溫度場曲線中，保溫層溫度高，說明其保溫效果好，溫度低則說明其保溫性能差。將保溫層溫度繼續(xù)的增大，其仿真計算得到的溫度場圖幾乎沒有什么較大的區(qū)別，無法從溫度場顏色梯度的變化來判斷保溫層厚度對于蓄冷裝置蓄冷特性的影響，這時我們采用將模型仿真后溫度場的數據導出，然后利用這些數據做出溫度的變化曲線，這樣更加直觀。圖4-24各保溫層溫度曲線變化如圖4-24所示，該圖的曲線是通過FLUENT有限元的仿真，將保溫層厚度分別設定為10mm、50mm、80mm、100mm、120mm、130mm、150mm等，得到蓄冷裝置的溫度場，本文利用Line的功能，在溫度場圖中，沿Z軸正方向從原點沿保溫層外壁劃一條線，這條線便可以代表整個保溫層隨著Z軸的變化，其溫度也是變化的，這時將線上的數據導出，使用MATLAB將各厚度溫度變化做成了曲線。曲線橫軸代表著Z軸正方向位置變化，縱軸代表的是Z軸方向保溫層溫度變化。本文對保溫層厚度取值比較分散，其原因在于厚度相差不大時，曲線的變化不夠明顯，所以取了七組相對比較具有代表性的數據。由于在仿真時，邊界條件設置最高溫度為400K，最低溫度為100K，各厚度初始時刻的溫度均接近400K，仿真結束時的溫度隨著保溫層厚度的增加而變高的，從另一個方面而言，可以用初始和末了時刻的溫差大小來衡量保溫層的保溫效果，溫差越大，其保溫效果越不好；溫差越小，其保溫層的保溫效果越好。保溫層的厚度并不是越厚越好。如果太厚的話，無形之中加大了真?zhèn)€蓄冷裝置的重量和體積，對于運輸、制造和安裝造成很重的負擔，而且還會增加投資建設的經濟成本，考慮到諸多因素并結合仿真實驗結果之后，得出本文所述蓄冷裝置的保溫層厚度為120-150mm之間為最佳值。5總結與展望5.1總結本文主要進行了保溫層的厚度對于蓄冷裝置蓄冷特性的數值模擬分析，基于ICEMCFD建模的方法，自主創(chuàng)新，設計出了一款具有超強換熱能力的理論模型，通過網格劃分，FLUENT的仿真計算，得到不同厚度下蓄冷裝置的溫度場分布圖，并進行詳細的分析討論，揭示出保溫層厚度對整個蓄冷裝置有著提高換熱效率的影響。主要存在以下幾個問題：（1）蓄冷裝置內部結構分布不均勻。模型主體為圓柱形，內部構造相對比較復雜，有大小肋片、圓管等焊接而成，就造成圓管束不能夠在每一個區(qū)域內到相應中心肋片和保溫層內壁的距離相等，空腔體積就會有大、有小。（2）肋片的分布不合理。中心肋片、雪花狀肋片與模型端蓋、保溫層內壁的接觸，就會導致相應接觸表面出現熱傳導的現象，造成能量的流失。（3）實體模型缺陷，無法使蓄冷相變材料流動。本裝置應用于載冷流體與蓄冷相變材料理論上應該是進行自然對流換熱的，但是實際情況端蓋的加入，無法實現相變材料的流動。（4）網格質量不夠精確。在對三維模型進行網格劃分的時候，無法保證模型的各個面都做到高質量的網格，造成仿真計算不夠精確。（5）邊界條件、材料參數的設置。進行FLUENT仿真計算的時候，對于蓄冷裝置邊界條件的設置需要符合載冷流體與蓄冷相變材料的反應環(huán)境，載冷空氣參數的設定要滿足換熱之后蓄冷相變材料發(fā)生相變的參數?？偟膩碚f，在誤差允許的范圍內，我們還是得出比較可信的結論。5.2展望本文在前人研究的基礎上，發(fā)明了一種多管束蓄冷相變材料裝置，在相變材料蓄冷裝置領域屬于一大創(chuàng)新，針對載冷流體與蓄冷相變材料在蓄冷裝置內進行換熱過程進行了詳細的說明，但此裝