246_u型管集热器流场和热特性的数值模拟

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1、U型管集热器流场和热特性的模拟研究北京建筑工程学院安玉娇高岩李德英摘要：根据传热学原理，本文推导出U型太阳能管集热器的能量平衡方程。通过在FLUENT中建立动态模拟仿真模型，改变U型管的入口速度，太阳辐射量和其外形尺寸来探究真空管内的温度场和流场变化。模拟结果表明：当在较高的入口速度，较大的太阳辐射量，或是较大的U型管内径时，集热器的效率较高；但在较低的入口速度、较高的太阳辐射量或是较小的U型管内径时，真空管的出口平均温度较高。同时，U型管内的流场一般不受入口速度的影响。关键词：U型管集热器；动态模拟；能量平衡方程；热性能；流场1

2、.引言太阳能作为一种新型可再生能源越来越为人们所关注。太阳能集热器是利用太阳辐射吸收材料的光热效应，将太阳辐射能转变为热能并向传热工质传递热量的特殊产热装置。真空管集热器由于结构简单、制造方便、集热效率高而在被广泛应用。真空管型太阳能集热器的产品形式多种多样，不同的结构形式与真空管的热效率有紧密联系，因此对集热器的结构形式进行优化，不但有利于提高真空管的热效率，而且对于生产厂家减少投资成本，增大收益有实际的意义。目前，国内外对真空管集热器的研究主要集中在对全玻璃真空管集热器上。在国内，田琦[1]在分析全玻璃真空管集热器能量平衡的基

3、础上,推导了集热器热损系数、效率因子等性能参数的计算公式；王志峰等人采用三维数学及物理模型对全玻璃真空管内的流动与换热情况进行了数值模拟[2]。殷志强，钟建立等也都对全玻璃真空管的热性能给出了简化的计算方法[3,4]。在国外，Morrison,Budihardjo等人给出单根全玻璃真空管的数值模型[5]，但该模型仅适用于自然循环系统；YongKim利用实验测试及数值模拟的方法研究了真空管内部结构及放置位置的不同引起的对集热器热效率的影响[6]；LouiseJivanshah研究了全玻璃真空管内工作流体的流动情况对集热器性能的影响[

4、7]。当前的研究工作尚未针对U型管集热器的热特性进行研究。在本文中，根据传热学原理，推导出U型管集热器的能量平衡方程。并且通过建立动态模拟仿真模型，深入研究影响集热器热效率的各因素。通过改变U型管的入口速度，太阳辐射量和真空管的外形尺寸来探究真空管内的温度场和流场变化。所得结论对研究U型管集热器的热模型及其结构的优化设计具有理论和实际价值。2．U型管集热器的结构及工作过程U型管集热器的内部结构详见图1图1U型管集热器的结构图U型管集热器是对全玻璃真空管集热器的改进，由于管内无水，不会因为一支真空管破损而影响系统的运行并且可以提高系

5、统运行的可靠性，尤其还可以用于承压的封闭系统。工作原理：太阳辐射穿过真空管玻璃外壳,投射在内层玻璃管上。玻璃内管与铝翼紧密接触，将真空管吸收的热量大量传递给U型铜管，再经过铜管换热至工作介质，使工质不断升温，热量就可以通过工质进一步加热水箱。由于工作介质主要在U型管内流动，经过换热流入水箱，本文主要关注U型管内部的流场和温度场的变化，下面对U型管内部建立数学方程并且进行模拟。3．数学模型及基本假定3.1．U型管集热器模型3.1.1基本方程在上述U型管集热器中，流体在U型管内流动过程的能量平衡方程见式（1）（1）式中：Ac为铜管的横

6、截面积，m2，Ac=(d/2)2；d为U型管的内径尺寸,m；H为铜管的湿周周长，m。在本文中采用模型进行模拟。3.1.2基本假定为便于对U型管集热器进行传热分析,作如下假设：①管内流体的流动和换热是稳态的；②流体是不可以压缩的。3.1.3边界条件a)流动边界条件z=0;r<1/2d;u=0;v=0;w=mw/Ack=0.01w2;式中：l=0.05d,m;Ac=(1/2)2,m2;mw为单位时间内工质流经U型铜管内的流量，m3/s;u为切向速度,m/s；v是径向速度，m/s;w为轴向速度,m/s；k为入口处流体的湍流动能；为入口湍

7、流动能的耗散；CD为经验常数。b)热边界条件当r=d/2时，q=q0式中：q0是太阳辐射透射到U型铜管壁面上的热流密度，W/m2。3.2．真空管的热效率太阳能真空管集热器的性能用热效率衡量，定义为：在规定时间内吸收的有用能量与入射在集热器表面上的太阳辐射能的比值，数学表达式见公式（2）：（2）式中：为真空管的采光面积,m2。由上式可知，真空管的热效率与U型管内工作介质的入口速度，太阳辐照量和真空管的内、外部结构有密切关系，下面通过建立动态模拟模型对这些影响因素进行分析。4．数值模拟为深入研究各影响因素对真空管换热的影响，在FLUE

8、NT中建立传热模型。划分网格后的模型见图2。由于流体在U型铜管内流动，带走热量，因此简化模型，忽略真空管的玻璃内、外管，模型仅包括U型铜管且水平放置。根据某太阳能U型管集热器生产厂家的样本，U型铜管的厚度为0.7mm。在FLUENT中设置边界条件，