太阳能吸热体流道截面结构对工质流动及传热特性影响的研究

【摘要】：摘要：平板太阳能集热器具有热效率高、价格低廉、容易与建筑物结合等优点而受到全球的瞩目。在国外,平板太阳能集热器在集热器市场占有率高达90%以上。在我国,随着太阳能建筑一体化进程的推进,对平板太阳能集热器的需求也越来越大,太阳能吸热体是其核心部件,吸热体流道的截面形状以及流道内壁结构,将对流道内工质的流动和传热特性产生较大的影响。本文设计了材料截面面积和流量截面面积均相等的不同截面结构的吸热体流道,研究流道截面结构对工质流动及传热特性的影响,为集热器吸热体流道的设计、换热性能的提高及结构优化提供理论参考。 本文通过简化实际模型建立了吸热体流道的物理模型,然后分两类建立了吸热体流道的几何模型。在理论分析中,建立了模型涉及到的数学模型和理论公式。 对几何模型网格划分,设置初始条件和边界条件后,进行数值模拟计算。在得出数值模拟的结果后,对内壁光滑的单圆形、单矩形、多孔圆形、多孔矩形这四种结构的流道进行了速度分析、温度分析、导热速率的分析和压降分析；将内壁有半圆形翅片、矩形翅片、三角形翅片的三种不同结构的单矩形流道与内壁光滑的单矩形流道的数值模拟结果对比,进行了速度分析、温度分析、导热速率的分析、压降分析、阻力系数的分析、换热系数的分析和努塞尔数的分析。 建立了吸热体流道流动及传热的实验平台,主要从温度、压降和速度三方面对实验结果进行了讨论分析,并将实验结果与模拟结果对比,验证了数值模拟的结果。最终得出了流道截面结构对吸热体流道内工质流动及传热特性影响的一些规律：从传热特性来说,当材料截面面积和流量截面面积均相等时,内壁光滑的四种流道中,多孔矩形流道的传热效果最好；而内壁有翅片的流道整体比内壁光滑的流道的传热效果好,且三角形内翅的流道的传热效果最好；从流动特性来说,当材料截面面积和流量截面面积均相等时,内壁光滑的流道整体比内壁有翅片的流道的阻力损失小,且单圆形流道的阻力损失最小。图78幅,表3个,参考文献66篇 【关键词】：太阳能吸热体 流道截面结构 流动特性 传热特性
【学位授予单位】：中南大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2013
【分类号】：TK513.1;TK124
【目录】：

• 摘要4-5
• Abstract5-7
• 目录7-9
• 1 绪论9-18
• 1.1 课题研究的背景及意义9-12
• 1.1.1 课题研究的背景9-11
• 1.1.2 课题研究的意义11-12
• 1.2 国内外研究现状12-15
• 1.2.1 平板太阳能集热器的研究现状12-14
• 1.2.2 流道结构对工质特性影响的研究现状14-15
• 1.3 本文的任务及结构15-18
• 1.3.1 本文的任务15-16
• 1.3.2 本文的结构16-18
• 2 物理模型的建立及理论分析18-32
• 2.1 吸热体流道结构物理模型的建立18-20
• 2.2 流道热传导的理论分析20-22
• 2.2.1 导热基本定律20-21
• 2.2.2 流道导热微分方程21-22
• 2.2.3 导热微分方程定解条件22
• 2.3 流道热对流的理论分析22-27
• 2.3.1 牛顿冷却公式23
• 2.3.2 流道对流换热微分方程组23-25
• 2.3.3 对流换热微分方程组定解条件25
• 2.3.4 边界层概念25-26
• 2.3.5 本文相关相似特征数26-27
• 2.4 流道内工质流动的阻力分析27-29
• 2.4.1 局部阻力计算27-28
• 2.4.2 沿程阻力计算28-29
• 2.4.3 总阻力计算29
• 2.5 流道内工质流动的速度分析29-30
• 2.6 流道内工质的传热特性30
• 2.7 本章小结30-32
• 3 流道内工质流动及传热特性的数值模拟32-50
• 3.1 数值模拟软件的确立32
• 3.2 网格划分32
• 3.3 初始化条件和边界条件32-33
• 3.4 模拟结果与讨论33-48
• 3.4.1 内壁光滑的不同流道的模拟结果与讨论33-41
• 3.4.2 内壁有翅片的不同流道的模拟结果与讨论41-48
• 3.5 本章小结48-50
• 4 流道内工质流动及传热特性的实验研究50-63
• 4.1 吸热体流道的实验目的50
• 4.2 吸热体流道的实验方案50
• 4.3 吸热体流道的实验系统50-53
• 4.3.1 实验系统的构成和工作流程50-51
• 4.3.2 吸热体的试验件51-52
• 4.3.3 实验系统的动力部分52
• 4.3.4 实验系统的加热部分52-53
• 4.3.5 实验系统的数据采集部分53
• 4.4 实验数据处理53-55
• 4.4.1 进出口压降和阻力系数的计算公式54
• 4.4.2 对流换热系数和努塞尔数的计算公式54-55
• 4.5 实验结果与讨论55-61
• 4.5.1 不同结构流道实验所得温度值的分析55-57
• 4.5.2 不同结构流道实验所得压降值的分析57-58
• 4.5.3 不同结构流道实验所得速度值的分析58-61
• 4.6 本章小结61-63
• 5 结论与展望63-65
• 5.1 全文总结63-64
• 5.2 工作展望64-65
• 参考文献65-69
• 攻读学位期间主要的研究成果目录69-70
• 致谢70

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