基于Fluent石蠟相變材料模擬

一、問題背景：為了解決日益嚴重的能源短缺問題，如何更加充分地利用現(xiàn)有的化石能源，開發(fā)利用綠色能源成為世界各國關注的重要議題。隨著現(xiàn)有化石能源的逐步開采利用，世界各國已經(jīng)普遍認識到降低對傳統(tǒng)能源（如煤炭、石油、天然氣能源等）的依賴性，以及對綠色能源（如太陽能、風能、地熱能等）實現(xiàn)充分開發(fā)利用的重要性，使用再生類能源并通過提高能源利用效率的方式成為應對能源枯竭現(xiàn)狀的重要手段。蓄熱技術就是這類能夠提高能源利用效率的典型技術手段，蓄熱技術通過將間歇性或者不穩(wěn)定的熱量通過蓄能介質暫時儲存，在有使用要求時釋放能量，解決能源利用高峰階段造成的能源匹配不足的問題。經(jīng)過多年應用發(fā)展，蓄熱技術已經(jīng)在太陽能、地熱能、風能、工業(yè)廢熱、電網(wǎng)系統(tǒng)的“移峰填谷”等領域有了一定程度的應用，并表現(xiàn)出強勁的發(fā)展勢頭。二、蓄熱技術蓄熱技術一般通過利用蓄熱介質的比熱容、潛熱等物理特性實現(xiàn)對采集能源多余熱量的暫時儲存，主要分為顯熱蓄熱、潛熱蓄熱和化學熱反應蓄熱，其中前兩種技術屬于物理蓄熱范疇。顯熱蓄熱顯熱蓄熱通過提升蓄熱介質材料的溫度進而提高物質內(nèi)能的方式實現(xiàn)儲熱，儲熱能力取決于材料的比熱容（提升物質單位溫升所需要的外部能量）等物理參數(shù)。顯熱蓄熱的突出弱點在于由于蓄能介質（例如水）在多余能量的儲存過程中伴隨著物質溫度的上升，不能滿足部分設備對于恒溫放熱的要求。同時，顯熱蓄熱材料蓄熱能力有限，儲能密度較低，往往需要較大容積的容器提供儲能保證，限制了顯熱蓄熱技術的大規(guī)模推廣應用。潛熱蓄熱潛熱蓄熱技術充分利用了相變介質在相態(tài)改變時會吸收或釋放巨大的能量，并藉此實現(xiàn)對多余能量的儲存和釋放。這類利用相變過程實現(xiàn)能量吸收釋放的材料被稱為相變材料。相比顯熱蓄熱材料，相變材料的相變潛熱與蓄熱材料的比熱特性相比在儲熱能力方面有了極大的提升，同等質量的儲熱介質能夠實現(xiàn)對更多能量的儲存，降低了對儲熱設備容積、質量等方面的要求，降低了整體設備成本。同時，潛熱蓄熱材料在相變吸熱放熱過程中近似等溫過程，方便了實際工程控制。盡管如此，由于相變蓄熱材質在導熱、傳熱特性方面的不足，以及某些無機鹽相變材料存在的相分離和過冷現(xiàn)象以及某些固有的化學反應，會嚴重影響儲熱設備的使用壽命?；瘜W熱反應蓄熱化學熱反應在反應過程中會釋放大量熱量，與外部環(huán)境進行熱交換，化學熱反應蓄熱即是利用這一熱交互過程實現(xiàn)能量和吸收和釋放?；驹砣缦拢豪谜瘜W反應吸熱，將能量轉化為化學能儲存，之后利用負反應放熱，將通過正反應儲存的能量通過熱量的方式釋放出來?；瘜W熱反應蓄熱與相變潛熱蓄熱技術有相似的優(yōu)勢特點，但是由于化學熱反應存在反應過程復雜、反應速度過快、反應過程復雜難于溫度法模型適合于單一成分有固定相變溫度的相變材料傳熱過程模擬，以溫度為系統(tǒng)因變量，分別對不同狀態(tài)下的相變材料進行控制能量方程的建立，并進一步進行溫度求解。焓法模型相比前述溫度法模型，焓法模型不僅適用于單一組分的相變傳熱模擬過程，對于模糊的邊界移動等傳熱問題同樣適用，該方法將焓作為系統(tǒng)因變量，在固、液以及混合模糊區(qū)域建立統(tǒng)一的能量守恒控制方程。圖SEQ圖\*ARABIC3固-液兩相系統(tǒng)示意圖如圖3所示，為典型的相變材料固-液兩相系統(tǒng)示意圖，選擇對應控制體V作為研究對象，經(jīng)過相界面的移動，在時刻t，系統(tǒng)分為固體相VS和液體相Vl，將相間由于溫度變化產(chǎn)生的循環(huán)流動速度定義為v,d式中，以溫度和焓參數(shù)作為系統(tǒng)因變量，相互關系可以通過公式2實現(xiàn)轉換：T公式2中，參數(shù)cs和cl分別表示相變材料固相比熱和液相比熱，參數(shù)hs和hl分別表示相變材料的液體相與固體相焓值，單位為J/ρρ式中，ρs和ρl分別表示固體相和液體相的密度參數(shù)，ks和kl表示對應相態(tài)的導熱系數(shù)，Ts和Tl分別表示對應相態(tài)的溫度，ρρ=ρs通過上述公式可以將活動區(qū)域以及相態(tài)界面區(qū)域的能量控制方程統(tǒng)一為一個共同的控制方程組，實現(xiàn)了相變傳熱模擬的數(shù)值計算。對于上述問題的求解方法，對于一維問題求解主要包括：Neumann法，Lightfoot積分法，Paterson法，對于多維問題求解主要包括有限差分法，有限元法和有限體積法。4.3基于Fluent的石蠟材料相變傳熱模擬4.3.1Fluent計算流體力學數(shù)值模擬軟件介紹Fluent是一款較為常用的集成流體、熱力學領域數(shù)值模擬技術的數(shù)值模擬軟件，采用了多重網(wǎng)格技術，具有求解收斂穩(wěn)定、收斂速度快的特點，軟件提供了豐富的物理模型。依托ANSYS有限元仿真軟件多場耦合平臺，ANSYSMesh模塊為Fluent提供了較好的前處理功能，可以高效集成多種CAD輔助建模軟件，能夠生成二維數(shù)值模擬所需要的三角形、四邊形網(wǎng)格，生成三維數(shù)值模擬所需要的四面體、六面體網(wǎng)格，并能夠方便實現(xiàn)對模型細節(jié)網(wǎng)格的處理，包括網(wǎng)格細化、節(jié)點耦合等處理方式。同時，ANSYS平臺為Fluent軟件提供了更人性化的結果后處理窗口CFD-Post。ANSYS平臺下基于Fluent的流體數(shù)值模擬一般流程如圖4所示。圖SEQ圖\*ARABIC4Fluent數(shù)值模擬基本流程4.3.2FluentSolidification/Melting模型介紹為了實現(xiàn)對相變材料傳熱條件下的相變傳熱過程進行數(shù)值模擬，F(xiàn)luent提供了專業(yè)的融化模型（Solidification/Melting模型），該模型采用前述焓法模型作為系統(tǒng)控制方程內(nèi)核，適用于帶有模糊區(qū)域的相變傳熱過程模擬。在數(shù)值計算模擬過程中，由于相變材料由固態(tài)吸熱變?yōu)橐簯B(tài)，材料孔隙率由0逐漸增加為1，相反的，當材料由液相逐漸轉變?yōu)楣滔酄顟B(tài)時，材料孔隙率相應的由1逐漸轉變?yōu)?,。同時，Solidification/Melting模型引入了液相率參數(shù)β，用溫度表示為如下形式：β=式中，對于單一成分的相變材料模擬有Ts=Tl，對于混合成分的相變材料模型有Ts能量方程源項修正形式：S動量方程源項修正形式：SS其中：Amush表示模糊區(qū)域流體設計參數(shù)，一般取值為104~4.3.3基于Fluent的石蠟凝固和融化設置模擬研究本章將基于Fluent流體仿真軟件的凝固-融化模型對圓管外側石蠟蓄能材料的融化和凝固過程進行數(shù)值模擬，在此基礎上對不同結構形式，不同熱源（恒定進水溫度以及太陽能輻射熱源）條件下的液相分數(shù)以及對應相變材料的溫度場數(shù)據(jù)進行了提取，以此為進一步研究石蠟材料的融化過程提供初始理論數(shù)據(jù)。如圖5為本次設計所使用的石蠟相變材料融化模擬模型結構示意圖（本次設計相變蓄熱箱體結構總體容積為50L），本次模擬所采用的石蠟材料的相關物理特性如表1所示，同時為簡化模擬，做出如下合理假設：1.石蠟相變材料分布均勻，切各物理特性屬各項同性；2.石蠟液相區(qū)域屬于牛頓不可壓縮流體區(qū)域，不考慮可壓縮性；3.石蠟液相區(qū)域熱對流屬于二維層流流動模型；4．模擬過程中僅僅考慮密度隨溫度的變化；5.管道厚度與熱阻系數(shù)在模擬過程中忽略不計。圖SEQ圖\*ARABIC5圓管外石蠟相變材料相變過程模擬模型表SEQ表\*ARABIC1石蠟材料物理特性參數(shù)表名稱密度（kg/m3）比熱(相變潛熱(kJ/kg)固體相溫度點(K)液體相溫度點(K)動力粘度(kg/(m.s))導熱系數(shù)(W/(m.K))石蠟7602100170324.15330.150.003240.254.3.3.1Fluent石蠟凝固和融化參數(shù)設置1）進入ANSYS協(xié)同仿真平臺，如圖6所示，在工作窗口內(nèi)建立Fluent流體仿真模塊。圖SEQ圖\*ARABIC6基于ANSYS的Fluent流體仿真模塊2）進入ANSYS仿真平臺的建模模塊（Geometry），如圖7所示，在建模窗口內(nèi)建立石蠟模型（容積50L，內(nèi)部管道直徑D1=100mm，內(nèi)部管道直徑D圖SEQ圖\*ARABIC7石蠟箱體模擬模型3）進入ANSYS仿真平臺的網(wǎng)格劃分模塊，對石蠟模型進行網(wǎng)格劃分，網(wǎng)格劃分效果如圖8所示（包括了58680個單元，63240個單元節(jié)點，網(wǎng)格平均質量0.93）。圖SEQ圖\*ARABIC8石蠟模型網(wǎng)格劃分效果4）進入ANSYS仿真平臺的Fluent仿真模塊，設置求解器類型等相關設置，如圖9，并依次對分析類型、模型材料屬性、邊界條件等相關參數(shù)進行設置。圖SEQ圖\*ARABIC9Fluent基本設置窗口選擇求解類型為瞬態(tài)求解，并設置求解器為壓力基求解器，設置重力方向為+Z方向（大小為9.8m/s圖SEQ圖\*ARABIC10求解設置激活Fluent融化-凝固模型，如圖11所示；圖SEQ圖\*ARABIC11Fluent凝固-融化模型激活在材料定義窗口對石蠟材料的相關物理屬性進行設置（如表1，包括石蠟材料的密度、比熱容參數(shù)、導入系數(shù)、潛熱參數(shù)、動力粘度以及熱膨脹參數(shù)等物理參數(shù)），如圖12所示。圖SEQ圖\*ARABIC12石蠟物理材料屬性設置設置模型邊界條件（熱源溫度、熱流密度、熱對流等相關參數(shù)），如圖13所示（設置內(nèi)壁溫度為350K）；圖SEQ圖\*ARABIC13模型邊界條件設置選擇求解器，并對求解存儲子步等相關參數(shù)進行設置，最終求解計算。不考慮石蠟箱體結構與外部環(huán)境的散熱情況，石蠟相變材料隨時間變化溫度變化及液相體積分數(shù)變化整理如下：1.如圖14為入口水溫80℃條件下，石蠟結構不同時刻（50min～500min）相變溫度分布云圖，對應液相體積分數(shù)分布云圖如圖15所示。從圖中可以看出，石蠟材料溫度從靠近熱水管管壁位置開始得到提升，當加熱時間為500min時，整體最大相變材料溫度基本達到50℃左右，同時液相體積分數(shù)與溫度變化基本保持一致。選取特點結果提取坐標點，提取溫度變化曲線如圖16所示。圖SE