分形树状换热器中固液相变传热特性研究.pdf

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1、学校代码：10286分类号：TK124密级：公开UDC：621学号：150350分形树状换热器中固液相变传热特性研究研究生姓名：戴俏波导师姓名：陈永平教授申请学位类别工学硕士学位授予单位东南大学一级学科名称动力工程及工程热物理论文答辩日期2018年5月26日二级学科名称工程热物理学位授予日期2018年月日答辩委员会主席曹建光研究员评阅人2018年6月3日硕士学位论文分形树状换热器中固液相变传热特性研究专业名称：动力工程及工程热物理研究生姓名：戴俏波导师姓名：陈永平教授StudyonSolid-liquidPhaseChang

2、eHeatTransferCharacteristicsinFractalTree-shapedHeatExchangerAThesisSubmittedtoSoutheastUniversityFortheAcademicDegreeofMasterofEngineeringBYDaiQiaoboSupervisedbyProf.ChenYongpingSchoolofEnergyandEnvironmentSoutheastUniversityMay2018东南大学学位论文独创性声明本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师

3、指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得东南大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。研究生签名：日期：东南大学学位论文使用授权声明东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆、《中国学术期刊（光盘版）》电子杂志社有限公司、万方数据电子出版社、北京万方数据股份有限公司有权保留本人所送交学位论文的复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制

4、手段保存论文。本人电子文档的内容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借阅，可以公布（包括以电子信息形式刊登）论文的全部内容或中、英文摘要等部分内容。论文的公布（包括以电子信息形式刊登）授权东南大学研究生院办理。研究生签名：导师签名：日期：摘要摘要固液相变是实现潜热储存和释放的重要途径，潜热蓄热具有蓄热密度高、相变温度范围广、相变材料丰富且价格低廉等优点，已广泛应用于太阳能利用、电力系统“削峰填谷”以及余热回收等领域。由于固液相变材料存在导热系数低的问题，因此开展固液相变传热强化研究对于研发相变储

5、能系统及能量高效利用具有重要的意义。目前强化固液相变换热技术的方法主要是从装置的结构设计和相变材料选型这两个方面进行考虑。其中，相变材料选型优化主要依赖于材料行业发展，目前可选用的芯体材料还比较少；结构设计优化目前主要采用肋片方式。但常规的肋片形状单一，缺少空间结构的优化配置，对系统内部的温度均匀性的改善效果不明显。受分形树状结构在电子芯片散热、反应器结构优化等方面成功应用的思想启迪，本文将分形树状结构引入到固液相变储能领域中，提出一种新型的固液相变换热器，改善相变材料（PCM）储能过程的传热性能。目前，针对该型相变换热器的

6、强化换热机理尚不清晰，树状结构布置形式也有待优化设计。为此，本文建立了分形树结构储能换热器的固液相变传热过程的理论模型，数值研究了PCM相变传热行为及分形结构的强化传热特性。并且，本文还开展了分形树状换热器的传热特性的实验研究。概括起来，本文的研究内容及主要结论如下：（1）开展了分形树状换热器固液相变传热过程的数值研究。建立了分形树状换热器固液相变传热过程的二维理论模型并进行数值模拟，研究了分形树状换热器的固液相变动态传热性能，给出了凝固过程的温度变化特性、相变界面移动特性以及潜热显热释放特性，分析了分形树结构的几何参数、材

7、料对相变传热性能的影响。研究结果表明：（a）分形树骨架的温度变化快于相变区域。分形树骨架内的等温线相互平行，相变区域内的等温线近似沿分形树骨架表面分布，且越靠近分形树骨架，等温线越密集，温差越大，而骨架分支中间的等温线呈椭圆环状分布；（b）相变前期凝固范围大致沿分形树骨架轮廓分布并沿着骨架不断向外延伸，相变中期相变区域呈现均匀分布的“水滴”形状和“三角状”，大“水滴”出现在0级分叉区域，小“水滴”出现在1级分叉区域，“三角状”出现在圆盘边缘，相变末期小“水滴”先消失，随后“大水滴”消失，而“三角状”最后消失；（c）凝固过程放

8、出的热量中潜热值占的比重很大，且潜热释放速度远大于显热释放速度；（d）对分形树状换热器固液相变传热性能影响最大的参数是分形树级数，其次是总支数，然后是长度分形维数，宽度分形维数对传热性能的影响较小，且这些参数对相变时间的影响大于对放热效率的影响。当分形树级数k=2，总支数F=6，长度分形维