硝基熔鹽納米流體在扭曲扁管內(nèi)流動(dòng)與換熱特性

摘要熔鹽作為傳熱儲(chǔ)熱介質(zhì)在太陽(yáng)能光熱發(fā)電系統(tǒng)中廣泛應(yīng)用，研究發(fā)現(xiàn)通過在熔鹽中添加納米粒子可以改善熔鹽的熱物性。本工作采用數(shù)值模擬方法，對(duì)熔鹽納米流體在不同結(jié)構(gòu)扭曲扁管內(nèi)的流動(dòng)和換熱特性進(jìn)行了研究。研究結(jié)果表明，熔鹽納米流體在扭曲扁管內(nèi)的對(duì)流換熱系數(shù)和壓降隨著長(zhǎng)短軸比的增加而增加，隨著導(dǎo)程的增加而減小。在Re=10000～35000時(shí)，扭曲扁管內(nèi)熔鹽納米流體的對(duì)流換熱系數(shù)相比于圓管最高提升了34.6%，壓降最大升高了141.3%，并擬合得到了扭曲扁管內(nèi)熔鹽納米流體的努塞爾數(shù)Nu和阻力系數(shù)f的經(jīng)驗(yàn)關(guān)聯(lián)式。通過綜合性能和場(chǎng)協(xié)同分析發(fā)現(xiàn)，在Re=30000時(shí)，長(zhǎng)短軸比a/b=2，導(dǎo)程S=300mm時(shí)，強(qiáng)化傳熱因子PEC最大為1.16，扭曲扁管長(zhǎng)軸頂端的協(xié)同角最小。關(guān)鍵詞熔鹽納米流體；扭曲扁管；換熱；數(shù)值模擬熔鹽作為傳熱儲(chǔ)熱介質(zhì)在太陽(yáng)能光熱電站(CSP)中廣泛應(yīng)用，通過在熔鹽中添加納米粒子可以制備得到熔鹽納米流體。相較于熔鹽，熔鹽納米流體的比熱容、熱導(dǎo)率、黏度等熱物性具有顯著的改善，對(duì)于儲(chǔ)熱系統(tǒng)來講，可以大大減小熔鹽罐的體積，減少鋼材的消耗。同時(shí)較低的黏度和較高的熱導(dǎo)率可以有效地改善其換熱和流動(dòng)特性，有效減少換熱器的體積，節(jié)約成本，因此近年來熔鹽納米流體成為國(guó)內(nèi)外眾多學(xué)者研究的熱點(diǎn)。目前在太陽(yáng)能光熱電站廣泛使用的熔鹽主要為太陽(yáng)鹽(NaNO3-KNO3)和Hitec鹽(NaNO3-NaNO2-KNO3)。北京工業(yè)大學(xué)吳玉庭團(tuán)隊(duì)研發(fā)了系列混合硝酸熔鹽，具有低成本、低熔點(diǎn)和腐蝕性小等優(yōu)點(diǎn)。目前對(duì)于熔鹽的流動(dòng)換熱特性研究主要集中在圓管內(nèi)，Lu等對(duì)Hitec鹽在垂直圓管內(nèi)層流、過渡流、湍流的流動(dòng)特性和換熱特性進(jìn)行了研究。葉猛等對(duì)LiNO3進(jìn)行了強(qiáng)制對(duì)流實(shí)驗(yàn)，得到了換熱經(jīng)驗(yàn)關(guān)聯(lián)式，并與傳統(tǒng)的Dittus-Boelter、Gnielinski關(guān)聯(lián)式進(jìn)行了對(duì)比。Dong等通過實(shí)驗(yàn)研究了太陽(yáng)鹽在環(huán)形管內(nèi)的換熱特性，得到的換熱經(jīng)驗(yàn)關(guān)聯(lián)式與Gnielinski關(guān)聯(lián)式符合較好。Du等通過實(shí)驗(yàn)和數(shù)值模擬的方法，對(duì)Hitec鹽在Re=3514～5482的換熱特性進(jìn)行了研究并得到了經(jīng)驗(yàn)關(guān)聯(lián)式，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與經(jīng)驗(yàn)關(guān)聯(lián)式的最大偏差為8%，與數(shù)值計(jì)算的最大誤差為11%。He等研究了Hitec鹽在管殼式換熱器內(nèi)的換熱特性，并與水在管殼式換熱器內(nèi)的換熱特性進(jìn)行對(duì)比。張春雨等實(shí)驗(yàn)研究得到了低熔點(diǎn)四元鹽在圓管中紊流段的對(duì)流換熱關(guān)聯(lián)式。通過向熔鹽內(nèi)添加不同濃度、粒徑的納米顆粒制備成熔鹽納米流體，目前對(duì)于納米流體的研究主要集中于熱物性(比熱容、導(dǎo)熱性、黏度)等方面。在熔鹽納米流體流動(dòng)傳熱方面，Chen等研究了添加SiO2納米粒子的太陽(yáng)鹽在光滑圓管內(nèi)的換熱特性，研究表明相比于基鹽，太陽(yáng)鹽納米流體的努塞爾數(shù)平均提高了16.3%。Zhang等實(shí)驗(yàn)研究低熔點(diǎn)四元硝酸熔鹽納米流體在圓管內(nèi)的流動(dòng)換熱性能，發(fā)現(xiàn)相比于基鹽，熔鹽納米流體的Nu數(shù)最大增加了11.42%。綜上所述，目前對(duì)于熔鹽納米流體的研究主要集中在熱物性提升方面，流動(dòng)換熱性能的研究主要采用熔鹽介質(zhì)，對(duì)于熔鹽納米流體的流動(dòng)換熱特性研究較少，特別是對(duì)于熔鹽納米流體在扭曲扁管內(nèi)的流動(dòng)換熱特性研究還未見報(bào)道。因此本工作采用數(shù)值模擬方法，對(duì)低熔點(diǎn)四元硝酸鹽納米流體在不同幾何參數(shù)的扭曲扁管內(nèi)的流動(dòng)換熱特性進(jìn)行研究，開展了綜合性能評(píng)價(jià)和場(chǎng)協(xié)同分析，得到了扭曲扁管內(nèi)熔鹽納米流體的努塞爾數(shù)Nu和阻力系數(shù)f的經(jīng)驗(yàn)關(guān)聯(lián)式，為扭曲扁管換熱器在太陽(yáng)能光熱電站中應(yīng)用提供參考。1幾何模型和數(shù)值方法1.1扭曲扁管幾何參數(shù)扭曲扁管的主要結(jié)構(gòu)參數(shù)如圖1所示，總長(zhǎng)為1000mm，導(dǎo)程S為100、200、300mm，橢圓周長(zhǎng)與半徑8mm的圓相等，橢圓截面長(zhǎng)短軸之比a/b為1.5、2。圖1扭曲扁管幾何結(jié)構(gòu)示意圖1.2計(jì)算設(shè)置基于有限體積法的FLUENT軟件，采用Realizablek-ε湍流模型、標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù)，使用SIMPLE算法進(jìn)行壓力速度耦合，動(dòng)量和能量方程均采用二階迎風(fēng)格式。收斂條件判定為能量方程的殘差值小于10-6，其余方程的殘差值小于10-5?；趯?shí)際實(shí)驗(yàn)工況條件，邊界條件設(shè)置如下：流體的入口為質(zhì)量流量入口，范圍0.20～0.71kg/s，對(duì)應(yīng)Re范圍10000～35000。流體入口溫度350℃，壁面條件為第一類恒壁溫邊界條件，溫度為320℃，出口條件為壓力出口。扭曲扁管的網(wǎng)格采用四面體網(wǎng)格，在壁面處進(jìn)行網(wǎng)格加密，壁面處網(wǎng)格尺寸第一層為0.1mm，從壁面處增長(zhǎng)率為1.2，邊界層設(shè)置為10層厚度。對(duì)壁面處的換熱量、出口溫度以及進(jìn)出口壓降這3個(gè)參數(shù)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，當(dāng)隨著網(wǎng)格的增加逐漸趨于平穩(wěn)且變化不超過5%時(shí)則認(rèn)為所選網(wǎng)格已經(jīng)滿足要求，因此最終選用20萬的網(wǎng)格進(jìn)行計(jì)算。1.3熔鹽納米流體的熱物性本研究采用的熔鹽納米流體為低熔點(diǎn)四元混合硝酸鹽納米流體，制備方法為在低熔點(diǎn)四元混合硝酸鹽[Ca(NO3)2?4H2O+KNO3+NaNO3+NaNO2]內(nèi)添加質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1%的SiO2納米粒子經(jīng)過機(jī)械攪拌制得，在200～500℃內(nèi)，低熔點(diǎn)四元混合硝酸鹽納米流體的比熱容為1.72～1.99J/(g?K)，與基鹽相比，最大提升20.6%；其熱導(dǎo)率提升至0.52～0.70W/(m?K)，其熱物性數(shù)據(jù)如圖2所示。圖2四元混合硝酸鹽納米流體熱物性2模型驗(yàn)證2.1實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)示意圖如圖3所示，主要由4個(gè)子系統(tǒng)(熔鹽回路系統(tǒng)、導(dǎo)熱油回路系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、冷卻水系統(tǒng))組成，換熱器為套管式圓管換熱器，圓管內(nèi)徑16mm。熔鹽納米流體的流速由變頻器調(diào)節(jié)，流量范圍0.1～0.5m3/h，對(duì)應(yīng)Re范圍10000～35000。導(dǎo)熱油為恒定流量，質(zhì)量流量為0.465kg/s。進(jìn)出口的熔鹽納米流體的溫度由PT100型熱電偶測(cè)得，精度0.1℃。圖3實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)示意圖2.2模型驗(yàn)證數(shù)值模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比如圖4所示，最大偏差為10.1%，在合理的范圍內(nèi)，證明了數(shù)值計(jì)算模型的準(zhǔn)確性，其造成偏差的主要原因是在數(shù)值模擬中忽略的壁面對(duì)環(huán)境的散熱以及重力的影響。圖4實(shí)驗(yàn)與模擬結(jié)果對(duì)比3結(jié)果分析與討論3.1扭曲扁管長(zhǎng)短軸比對(duì)流動(dòng)換熱特性的影響圖5是在導(dǎo)程100mm的情況下，不同長(zhǎng)短軸比的扭曲扁管對(duì)流換熱系數(shù)與進(jìn)出口壓降隨Re的變化圖。在導(dǎo)程為100mm，Re為10000～35000時(shí)，a/b=1(圓管)、a/b=1.5、a/b=2的對(duì)流換熱系數(shù)范圍分別為2301～5991W/(m2·K)、2488～7173W/(m2·K)、2791～8064W/(m2·K)，進(jìn)出口壓降分別為560～4881Pa、756～7015Pa、1043～11780Pa。從圖中可以看出，在相同Re下，隨著扭曲扁管長(zhǎng)短軸比的增大，對(duì)流換熱系數(shù)逐漸增加，進(jìn)出口壓降也隨之增大。隨著Re的增加，所有結(jié)構(gòu)參數(shù)的扭曲扁管的對(duì)流換熱系數(shù)和進(jìn)出口壓降逐漸增加。圖5扭曲扁管長(zhǎng)短軸比對(duì)流動(dòng)特性和換熱特性的影響在導(dǎo)程為100mm，Re為30000時(shí)，不同長(zhǎng)短軸比的扭曲扁管的溫度云圖和二次流云圖(Z=700mm)如圖6和圖7所示。從圖6可以看出，在相同工況，相同位置處，扭曲扁管長(zhǎng)短軸比越大，平均溫度越低。長(zhǎng)短軸比為2、1.5以及圓管在Z=700mm截面的平均溫度分別為616.96K、617.89K、618.20K。且相比于圓管，扭曲扁管在壁面處有明顯的渦旋。造成這一現(xiàn)象的原因主要是熔鹽納米流體在扭曲扁管內(nèi)產(chǎn)生螺旋流動(dòng)，在壁面附近的湍流度增大，使得壁面附近產(chǎn)生二次流，這種二次流自中心沿徑向逐漸增大，且在長(zhǎng)軸頂端最大。如圖7所示在相同工況下，長(zhǎng)短軸比越大，壁面附近二次流的強(qiáng)度越大，使得近壁面附近流體對(duì)壁面的沖刷增強(qiáng)，溫度邊界層變薄，溫度梯度增大，對(duì)流換熱系數(shù)變大。圖6扭曲扁管溫度云圖圖7扭曲扁管二次流云圖3.2扭曲扁管導(dǎo)程對(duì)流動(dòng)換熱特性的影響當(dāng)扭曲扁管的長(zhǎng)短軸比a/b=2時(shí)，其在不同Re數(shù)和導(dǎo)程長(zhǎng)度下的對(duì)流換熱系數(shù)與進(jìn)出口壓降如圖8所示。從圖8中可以看出，當(dāng)Re和長(zhǎng)短軸比相同時(shí)，導(dǎo)程長(zhǎng)度越短，對(duì)流換熱系數(shù)越大，壓降也越大，均大于相同工況下的圓管。在Re為10000～35000時(shí)，扭曲扁管導(dǎo)程長(zhǎng)度100mm、200mm、300mm的對(duì)流換熱系數(shù)分別為2791～8064W/(m2·K)、2746～7872W/(m2·K)、2743～7864W/(m2·K)，壓降分別為1243～11780Pa、999～9042Pa、945～8559Pa。圖8扭曲扁管導(dǎo)程長(zhǎng)度對(duì)流動(dòng)特性和換熱特性的影響圖9和圖10分別為相同長(zhǎng)短軸比下，Re=30000時(shí)Z=700截面的溫度云圖與二次流云圖。隨著導(dǎo)程長(zhǎng)度的減小，可以明顯地看出溫度邊界層逐漸變薄，截面平均溫度減小。導(dǎo)程長(zhǎng)度200mm和300mm的二次流截面平均大小分別為0.18m/s和0.11m/s，遠(yuǎn)小于導(dǎo)程100mm時(shí)的0.40m/s，因此也造成了導(dǎo)程200mm和300mm的扭曲扁管的對(duì)流換熱系數(shù)和壓降遠(yuǎn)小于導(dǎo)程100mm的扭曲扁管。圖9扭曲扁管溫度云圖圖10扭曲扁管二次流云圖3.3綜合性能指標(biāo)與協(xié)同場(chǎng)分析采用強(qiáng)化傳熱因子PEC作為評(píng)價(jià)扭曲扁管綜合性能的指標(biāo)，其公式如下：(1)(2)(3)根據(jù)數(shù)值模擬數(shù)據(jù)整理分析，可以得到在Re=10000～35000時(shí)，扭曲扁管內(nèi)熔鹽納米流體的努塞爾數(shù)Nu和阻力系數(shù)f的經(jīng)驗(yàn)關(guān)聯(lián)式，其公式如下：(4)(5)扭曲扁管內(nèi)熔鹽納米流體的努塞爾數(shù)Nu和阻力系數(shù)f擬合關(guān)系式與數(shù)據(jù)對(duì)比如圖11所示，擬合關(guān)聯(lián)式與模擬數(shù)據(jù)較為吻合。圖11Nu和f隨Re數(shù)的變化趨勢(shì)圖圖12為扭曲扁管在不同Re下隨著長(zhǎng)短軸比和導(dǎo)程長(zhǎng)度變化的強(qiáng)化傳熱因子(PEC)。當(dāng)長(zhǎng)短軸比不變時(shí)，在相同Re下的PEC隨著導(dǎo)程長(zhǎng)度的增大而增大，最大值在導(dǎo)程長(zhǎng)度300mm附近。隨著Re的增加，PEC曲面變得更加陡峭，在Re=30000，導(dǎo)程長(zhǎng)度為300mm，長(zhǎng)短軸比為2時(shí)，PEC的最大值為1.16。圖12在不同參數(shù)下的PEC變化趨勢(shì)圖熔鹽納米流體在扭曲扁管內(nèi)的強(qiáng)化換熱程度不光與壁面附近流體的溫度梯度有關(guān)，而且和流體的溫度梯度與速度矢量的夾角有關(guān)，稱為溫度協(xié)同角(圖片。溫度協(xié)同角越小，協(xié)同程度越好，換熱特性越好。 (6)圖13為Re=10000，扭曲扁管Z=700mm截面處，沿著長(zhǎng)軸方向的協(xié)同角分布趨勢(shì)圖。從圖中可以看出，相比于圓管，扭曲扁管在長(zhǎng)軸頂端壁面附近會(huì)有一個(gè)明顯下降的峰，說明壁面附近的換熱特性相比于圓管更加良好，這也與圖7中二次流強(qiáng)烈的位置相符合，并且隨著長(zhǎng)短軸比的增加，峰的位置越來越靠近長(zhǎng)軸頂端，換熱效果更好。這是由于隨著長(zhǎng)短軸比的增加，產(chǎn)生更加強(qiáng)烈的二次流和縱向渦流，增強(qiáng)了熔鹽納米流體流動(dòng)過程中的擾動(dòng)，進(jìn)一步強(qiáng)化了換熱效果。圖13扭曲扁管的協(xié)同角4結(jié)論（1）本工作對(duì)熔鹽納米流體在扭曲扁管內(nèi)的流動(dòng)與換熱特性進(jìn)行研究，通過與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，驗(yàn)證了數(shù)值計(jì)算方法的準(zhǔn)確性。（2）在相同Re下，隨著扭曲扁管長(zhǎng)短軸比的增大，熔鹽納米流體的對(duì)流換熱系數(shù)和進(jìn)出口壓降逐漸增加。當(dāng)Re和長(zhǎng)短軸比相同時(shí)，熔鹽納米流體的對(duì)流換熱系數(shù)和進(jìn)出口壓降隨著