1、- 1 -院 系：能源与动力工程学院 专业班级：热能 0906 班学生姓名：信蕾 指导教师：魏高升学 号：1091170624 译文成绩：华北电力大学毕业设计（论文）译文部分原文著作（期刊）名称：Renewable and Sustainable Energy Reciews作 者：Abduljalil A.Al-abidi,Sohif Bin Mat,K.Sopian,M.Y,Sulaiman,Abdulrahman Th.Mohammed原文出版单位：Solar Energy Research Institute原文出版时间：2013-1原文出版地点： University Kebangs
2、aan MalaysiaCFD 应用潜热储能：评论摘要热能存储器需要提高太阳热能应用（ STEA ）效率并且消除能源供应和能源需求之间的不匹配。在热能存储器中，潜热的热能存储（ LHTES ）已经获得了很大的关注，因为它在几乎恒定的温度下的每单位质量/体积的高能量密度。本文综述了以前的研究，通过商业计算流体动力学（ CFD ）软件及自行开发的编程研究相变材料的传热现象的数值模拟相变材料（PCMS） 。先后使用了 CFD （流利）软件先后用来模拟相变材料应用在不同的工程应用,，包括电子制冷技术，储热，供暖，通风，空调（ HVAC ） 。使用 CFD软件设计 LHTES 的是认为是一种有效的方式，
3、以节省时间和金钱。1.介绍研究人员深入研究的 PCM 热能存储器在过去的三十年间，由于后者每单位体积密度/质量的高热能和它们不同的工程领域使用广泛的温度范围的能力。PCM 热能存储器在提高能源利用效率中起到了关键作用。它限制了太阳能光热能源的应用（STEAs）能源供应和能源需求之间的差异，尤其是当 STEA 完全依靠太阳能作为主要来源。PCM 热能存储器通过高存储容量和几乎恒定的热能存储表现出高性能和可靠性的优势。大多数 steas为了高效率需要恒定或接近恒定的温度。使用潜热热能储存（LHTES）作为热能存储方式可以提供所需的恒定温度匹配相变材料的熔化温度。相变材料被用于不同的工程领域，如在以
4、下方面：储热建筑结构3-7;建筑设备，包括生活热水，供暖和冷却系统8,9;电子产品10-12 干燥技术13，余热回收14，冷冻冷藏15-18;太阳能空气集热器19;太阳灶20。使用 CFD 软件设计一个 LHTES 被预期是一种有效的方式，以节省时间和金钱，并为最高效率 steas 提供最佳优化工具。2.pcm 的数值解- 2 -短暂的一个阶段被称为相变或移动边界的数学公式是由一个可以解决偏微分方程解析或数字控制的。PCM 的解析解是有问题的，因为相变的非线性相位面接口，复杂的几何形状的尝试，和非标准边界条件;一些分析研究一维情况下，与常规的几何形状和一个标准的边界条件。zisik 报告指出，
5、解决 PCM 的数值方法可归类为固定网，变网格，前固定，自适应网格生成，和焓方法。预测的相变系统的行为是困难的，因为其固有的非线性的特性，在移动界面的位移率是由在边界的潜热的吸收或者放出控制的。PCM 的固液热传递现象可以使用两种主要的方法分析：基于温度的，并基于焓的方法，可以分析在固 - 液的相变材料的热传递现象。在第一种方法中，温度被认为是唯一的因变量。能量守恒方程为固体和液体分开写，因此，固 - 液界面的位置可以进行跟踪，明确问题，以达到精确的解决方案.(1)其中， Ts表示在固相中的温度， 1T表示的温度下，在液相中， sk为固相的热导率，1k为液相的热导率，n 是单位法向矢量的接口，
6、 nv是界面速度正常的组成部分。L 是冻结潜热，如图所示 1。在第二种方法中，固 - 液界面位置的需要不进行跟踪。研究人员经常使用焓配方，因为具有以下优点：（1）控制方程与 Eq 单独阶段相似;（2）固液界面没有明确的情况要求完美（3）焓公式涉及解决方案在一个糊状区,其中包括固体和液体材料之间的两个标准阶段;(4)相变问题能解决更容易。(2)其中 T 为温度，k 是热导率， 是在 PCM 的密度， v为流体的速度，H 为焓，S 是源项nLkvk1STkHvt )()()(- 3 -Dutil 等人在第一和第二的热力学定律基础上提出了一种密集的数学和数值的应用在 PCM 上。使用 252 篇参考
7、文献，他们确定了数学和数值方法应用于解决传热问题涉及相变材料热储能，PCM 的数学基础，以及不同的应用几何形状和应用。Verma 等。也介绍了其他 PCM 数学评论。最近，研究人员利用 ANSYS Fluent 软件模拟熔化和凝固的工程问题。其他软件，可以用来模拟 PCM 过程包括 COMSOL Multiphysics 软件和 STAR-CMM。然而，Fluent 是大多数研究者熔化和凝固相变材料的首选。相反，一些研究人员自行开发的一个程序使用计算的语言（C，FORTRAN，MATLAB）研究相变材料的传热现象。表 1 总结了一些不同的 PCM 几何的自主研发计划。2.1.Fluent 程序
8、利用 ANSYS Fluent 软件是一个计算流体动力学（CFD）程序成功地用来模拟不同的工程问题。此软件有一个特定的模型，它可以模拟在工程中的不同的熔化和凝固的问题的范围内，包括铸造，熔化，晶体生长，和凝固。该方案可用于解决发生在单一温度下（纯金属）或以上的温度范围内（混合物，合金，等等）的相变。流利的应用与限制，可以在 ref 中找到参考。Fluent 软件模拟开始，在一个特定的几何造型采用网格生成工具绘制物理工程问题，其中包括 Fluent 软件（Gambit, workbench） 。网格生成工具，可以导入从其他程序，如AUTO CAD 等。绘制的物理结构后，边界层和区域类型定义，并且
9、网格就是软件 Fluent 的- 4 -出口。不同的网格大小和时间步骤应该被应用到数值模型，确保数值结果是独立的参数。小格子的大小和时间步骤在很短的模拟时间中是电脑的首选。2.2Fluent 的数学公式在 Fluent 中用来解决凝固和融化模型的数学方程取决于孔隙焓技术和有限体积方法。在前者中，熔体的界面还没有准确的跟踪。一个称为液体分数的量，这表明在液体中单位的体积分数，与范围内的每个单元相关联。在每次迭代中计算的液相馏分，基于焓平衡的液体分数被重复计算。糊状区是液体分数位于 0 和 1 之间的区域。随着材料凝固糊状区形状如一个“假”的多孔媒介其中多孔介质的孔隙率由 1 降低到 0。当材料在
10、单元中完全凝固时，多孔性变为零，结果导致的速率降低到零。在本节中，给出了凝固/熔化理论的概述。多孔焓方法的详细信息，请参阅 Voller 和 Prakash。能量方程被表示为 STkHvr )()()(3)其中， 是该 PCM 的密度， v为流体的速度，k 是热导率，H 是焓，S 是源项。显焓可以表示为0 (4)(5) 其中 refh是在基准温度 refT下的参考焓，cp 为比热， H是零（实线）和 1（液体）之间的潜热，有可能发生变化，L 是潜热相变存储，而 是当状态为固体与液体，温度 T 在T1 和 T2 之间时的液体分数。因此， 也可写为(6)(7)在动量方程，源项 SI 被定义为(8)
11、这是由于相变对流影响加入动量方程的达西定律阻尼项（源项） 。其中， = 0.001是一个小的计算常数，用来避免被零除，糊状区域常数 C 是糊状区中 410和 7之间描述普通动力学过程的。2.3 Fluent 求解Trefrefcph- 5 -流利的软件有两个主要的求解法：基于压力的求解法和基于密度的结合求解法（DBCS） 。只有第一个方法可以用来模拟熔化和凝固的问题。基于压力的求解法采用了一种属于一般类的方法被称为计划法的算法，质量守恒（连续性）的速度场，其特征在于，是通过解决的压力（或压力校正）方程简历的。压力方程是以速度场这样一种方式来自于连续性和动量方程，由压力校正，满足的连续性。控制方
12、程是非线性的，并彼此耦合，因此，该解决方案过程涉及解决的整套控制方程的迭代。在 Fluent 中可用的是两个基于压力的运算法则，称之为一个分离法则和一个结合法则，见图 2。对 Fluent 可用的不同的离散（插值方法）方案，包括一阶上风方案，功法则的方案，二阶上风方案，中间差分格方案，和二次迎风插值方案。其中一阶上风，功法则，和二阶迎风计划是凝固和融化的问题时最普遍采用的。最后两种方法比第一种方法更准确。此外，动量方程的表面压力的内插方法是半隐式压力相连方程（SIMPLE） ，SIMPLE-consistent（SIMPLEC） ，压力隐式分裂的操作系统（PISO） ，和分数步长法（FSM）
13、。图 3显示了求解过程概述。更多详细的解决方案，初始化和离散化方法在 rel 可以找到参考。- 6 -材料的物理性质，如密度，导热率，热容量大，和粘度，可以是依赖温度和/或依赖组合物。依赖温度的是一个多项式，分段线性或分段多项式函数。个别组件的属性是由用户定义或通过动力学理论计算。然而，这些物理性质可以定义为一个恒定值，随温度变化的功能，或用户定义函数（UDF） ，可以用一个特定的热物理性能的温度依赖性定义的 C 程序设计语言编写的。一些研究人员推断，相变材料的热物理性能，如密度，粘度，依赖于温度的变化，并且是由明确的关系确定的。（9） （10）- 7 -其中， 1是在熔点温度 1T时 PCM
14、 的密度， 是热膨胀系数，A，B 为常数系数。PCM 和空气之间的关系来描述一个特定的模型，称为流体的体积（VOF） 。这个模型定义 PCM 空气移动的内部接口的系统，但没有相互渗透的二相流体。三种条件，反映了流体的体积分数计算单元，表示为： na。如果 n=0，则该单元的第 n 个流体是空的，如果 na= 1，然后第 n 个流体是满的;如果大于 0 小于 1，那么单元中包含的第 n 个液体和一种或多种其它流体之间的界面。shmueli 等确切的研究 PCM 的熔化，在一个垂直的缸筒，其直径为 3 和 4 厘米，上述暴露在空气中，在底部绝缘。壁面温度在高于 PCM 熔点温度的 10 和 30
15、度之间。他们研究了各种参数，如压力速度计划（PISO 和 SIMPLE）和压力离散化制度（例如，PRESTO and the weighted force method)）数值解的效果。他们分析了糊状区的影响，恒定的熔化过程中，如图 4 和图 5。他们还报告结果无差异的压力速度计划（PISO 和 SIMPLE）以及相当大的差异的压力离散结果。3.PCM 储热的几何数值模拟3.1 球形几何容器LHTES 球形容器中在热量存储中有着一个重要的位置，过去常常+被用在不同的工程应用中，如在填充床中存储。此外，大多数商业公司因为这个原因生产球形容器。- 8 -阿西斯等人在模拟实验研究中获得了填充有 98
16、.5球形的几何形状固体的 PCM 与 PCM 的熔化过程作为初始数据提出了一种数值和根据作为初始条件的模拟填充有 98.5球形的几何形状固体的 PCM 与 PCM 的熔化过程 RT27 的实验研究。剩下的百分之一数据，PCM 数值的增加，过程中出现相变跃迁现象。将液体状态的密度跃迁变化定义为“糊状”状态的线性变化，在 PCM 空气系统中使用到的被称为 VOF。这个数值模型是基于 Fluent6.0 的轴向对称的物理模型。当对不同的设计和操作参数进行研究，结果表明 PCM 的融化过程受其热参数和几何参数影响，其中包括 Stefan 数和外壳直径。阿西斯等人对 RT27 的凝固过程中一个 PCM
17、充满了 98.5的液体 PCM 的球壳做了数值模拟和实验研究。使用Fluent 对不同的外壳直径的球壳进行了实验，球状模型与 PCM 的融化过程中的形状相同。hosseinizadeh 等人数值研究了各种体积分数实际纳米铜在球形容器中熔化率体积分数的影响。不同体积的实际纳米铜（0，0.02，0.04）在使用，并且 85的 PCM 是充满的填充。他们使用 Fluent 发展轴对称数值模型，并增加了达西定律动量方程对相变对流的影响。VOF 用于 PCM 空气系统并且幂定律和压力速度耦合的 PISO 方法分别用于解决动量和能量方程。PRESTO 计划用于压力校正公式。三种不同的 Stefan 数字进
18、行了分析验证，模型的确认是根据阿西斯等人实验工作。结果表明，实际纳米铜相比较传统的 PCM 相变材料的热导率的增加。不幸的是，潜热的融合降低了。谭等人报告描述了一个实验的并且数值的工作，工作是在一个透明的球形容器 PCM的强制融化。达西定律，增加了动量方程计算相变对流中影响变化。他们用Fluent6.2.16 进行了数值模拟和简单的方法解决方程。功定律被用来解决的动量和能量方程，而 PRESTO 方案通过压力校正公式。他们报告之处，PCM 底部的起伏和过度熔化是由实验低观察引起的。这种差异和可以抑制热量从到达底部的球体的支撑结构的使用是有联系的。Xia 等人提出了一种有效的包含一个球形 PCM
19、 容器的填充床热能存储器。他们研究了 PCM领域与封装的 PCM 对传热性能的 LTES 床布置的效果。他们开发了一种二维数学模型 via Ffluent 6.2，该模型简单的使用标准 k-X 模型;被采纳的压力和速度耦合算法。他们报告显示，随机填料更优于热存储和恢复，材料和外包皮厚度对 LTES 床的传热性能有明显的影响。3.2。方形和矩形几何Arasu 和 MUJUMDAR 37提出了一种数值研究熔化的石蜡分散铝（Al2O3）的模型，以一个正方形的外壳，从下侧和从垂直侧加热纳米 PCM，且具有不同的体积百分比（2和 5） 。他们开发了一种数值模型 6.3.26。用细网解决边界层计算领域的热
20、点和冷壁附近的问题;越来越粗的网格被用在其他域，以减少计算时间。他们用一个 UDF 定义 PCM 的热物理性能的温度依赖性，其中的一阶差分方案被用来解决的动量和能量方程，压力校正公式和 PRESTO 的计划已获采纳。他们报道称，应用由较小的体积浓度的氧化铝粒子中- 9 -的石蜡，可以使石蜡潜热存储介质的有效导热系数显着增加。PINELLI 和皮瓦38开发了二维数学模型研究，用自然对流流体对 PCM 过程温度分布，接口位移，能量储存的影响进行研究，并加强与试点工作之间的匹配，只考虑 PCM 的传热。糊状区模型常数约 1.6*103，圆柱腔体充满了正十八烷，即 PCM 在固体状态和来自上述电加热器
21、加热。总传热系数 U 假设通过聚苯乙烯层，以及与环境的热交换、对流和辐射传导。传导为主的冷冻和数值方法通过解析解得到了验证，其中被认为是在对流传导模型进行。他们报告说，数值模拟和实验结果之间的匹配被认为是在液相中显着改善，而不是在的传导占主导地位的过程中。研究人员报告通过添加纳米级别的铜的 PCM（纳米流体） ，其中的热传递可以得到显着的提高。这样的添加提高了 PCM 的热导率。吴等人39数值研究铜/石蜡纳米流体的相变材料的熔化过程。他们开发了一种二维数学模型研究，运用的是流体 6.2。2.5 厘米高的 PCM 和 1 厘米的空气充满了封闭的空腔，空腔的顶部采取空气封闭， 。VOF 通过与移动
22、的接口在 PCM 和空气之间的关系来定义，但没有让两种介质相互渗透。快速差分方案被用来解决的动量和能量方程，而 PRESTO 计划通过压力校正公式校核。他们石蜡熔化时间减少 13.1。李等人。40进行了同心水平的方形外壳的 PCM 在熔化过程数值研究。二维数值模型采用流体 6.0 。他们报告说，作为对流主导的模式，加速了该环形带的上半部分熔融的结果，顶端部分的 PCM 熔化速度比底部快。Khodadadi 和 Hosseinizadeh 41报道，对比基础材料，色散相变材料中的纳米颗粒增强了材料的热导率。他们使用了一种二维数学模型研究流体 6.2.1。 SIMPLE 算法和快速差分格式用来解决动量和能量方程，而 PRESTO 的方案采用压力公式校正。添加达西定律阻尼项到动量方程进行修正。结果表明，纳米材料对比传统 PCM 相变材料，其导热系数有所提高。但是，其熔化潜热减少。
