蓄冷球凝固的FLUENT数值模拟研究

    1 引 言

    当相变材料在其物相发生改变时,伴有较大能量的释放或吸收。利用其这种特性对能量进行存贮,可对不连续、不稳定的热量进行充分利用,以调整控制工作源或相变材料周围环境的温度,是一种提高能源利用效率的环境友好技术。该技术在太阳能热利用、工业余热回收、采暖及空调等节能领域中相变材料都有着诱人的应用前景,目前已成为世界范围内的研究热点[1]。

    在空调等领域中采用相变材料蓄冷,具有转移峰谷用电、平衡电网、节约运行费用等优点。当相变材料的相变温度为6~9℃时,除具有常规冰蓄冷、水蓄冷系统的优点外,还具有可以直接利用原有制冷机组及空调系统、蓄冷设备体积小、冷损小、制冷机COP值大等特殊的优点而具有广阔的应用前景。但蓄冷槽中蓄冷球的凝固特性直接影响着蓄冷装置热性能的好坏,而由于该相变传热问题包括相的变化与热传导两种物理过程,使其比单一热传导过程显得更复杂,在数学上是一个强非线性问题,解的叠加原理不能使用[3],该相变问题一般只能采用数值方法求解。所以,本文利用计算流体力学软件FLUENT针对相变温度为6~9℃的蓄冷球的凝固过程进行数值传热分析。

    2 FLUENT软件介绍

    利用FLUENT软件可以计算和揭示蓄冷球的凝固过程中温度场和相界面移动的规律。FLUENT是计算流体流动和传热问题的大型商业计算流体力学(CFD)软件,基本程序结构如图1所示。软件包中提供了相变模型、湍流数学模型、辐射数学模型等,是一种基于非结构化网格的通用CFD求解器。其基本思路是将计算区域划分为一系列不重复的控制体积,并使每个网格点周围有一个控制体积,用待解的微分方程对每一个控制体积积分,便得出一组离散方程,然后求解方程组得到解。FLUENT求解的思路和步骤是首先根据实际情况抽象和建立物理模型,然后选择求解模型,设置边界条件和初始化条件,设置迭代和控制参数,进行计算,经后处理和分析得出结论,或者根据实验结果重新调整参数进行再计算直至达到可接受的结果。最后在后置处理工具中对计算结果进行图形化显示,为产品的进一步开发、设计提供参考。

    本文首次利用FLUENT凝固/熔化模型模拟了蓄冷球在第一类温度边界条件下的凝固过程,模拟结果与文献报导[2]的试验结果基本吻合。

    3 数学模型的建立

    如图2(a)所示,蓄冷球在密闭式圆柱形槽中自由堆放,球内密封熔点为8℃的相变材料,封装材料为聚乙烯。低温载冷剂从蓄热槽孔隙流过球形蓄热体表面,吸收球内蓄冷剂的热量,使得蓄冷剂放出凝固热而由球壁向球内逐渐凝固,直至整个球内完全发生相变。蓄冷球的物理模型如图2(b)所示。由于球径较小,单个蓄冷球周围载冷剂温度可视为同一值。为分析方便,对物理模型作如下假设: 1.相变介质固、液两相比热、导热系数、密度为常数,不随温度发生改变; 2.相变温度恒定;3.相变介质中热量传递以导热为主,忽略自然对流的影响。