重力条件下高温蓄热容器内固/液相变的数值模拟方法

摘要

本发明提供一种重力条件下高温蓄热容器内固/液相变的数值模拟方法，在同时考虑自然对流、空穴及辐射的条件下，对复杂的相变传热问题进行数值计算，使得技术人员利用计算机便可获取现场高温蓄热容器内固/液相变材料熔化率的变化及相变时流场、温度场、液相分布，从而为优化蓄热容器设计、抑制空穴、提高蓄热效率及减少“热斑”和“热松脱”现象提供重要的参考依据。本发明方法通过基于焓法、有限控制容积法和SIMPLE算法的计算程序，使得重力条件下高温蓄热容器内的熔化/凝固这一复杂的相变问题得到了简便、高效的解决，具有重要的实用价值。

主权项

一种重力条件下高温蓄热容器内固/液相变的数值模拟方法，其特征在于，所述数值模拟方法包括如下具体步骤：(1)依据高温蓄热容器的几何模型划分液体及固体计算区域，使用三角形非结构化网格对上述计算区域进行网格划分；(2)定义非稳态熔化/凝固模型，定义流动为层流，定义离散坐标辐射模型；(3)定义操作条件：R向受重力作用，参考压力为一个大气压；定义基于BOUSSINESQ假设的自然对流模型；(4)定义相变材料(PCM)在气、固、液三相下的材料属性，所述材料属性具体包括密度、比热容、导热率、粘度、熔化热、液相线及固相线温度、吸收率和发射率；(5)建立如下的偏微分控制方程组：a)连续性方程 ∂ u ∂ z + 1 r ∂ ( rv ) ∂ r = 0 式中：u，v分别为z方向、r方向的速度分量；b)动量方程 ∂ u ∂ t + ∂ u 2 ∂ z + 1 r ∂ ( ruv ) ∂ r = - 1 ρ ∂ P ∂ z + gβ ( T - T m ) + v ▿ 2 u ∂ v ∂ t + ∂ ( u v ) ∂ z + 1 r ∂ ( rv 2 ) ∂ r = - 1 ρ ∂ P ∂ r + v ( ▿ 2 v - ( v r 2 ) ) 式中：P为压力，g为重力加速度，β为相变材料(PCM)液 态体积膨胀系数，v为运动粘度。c)能量方程 ∂ ( ρe ) ∂ t + ∂ ( ρue ) ∂ z + 1 r ∂ ( rρve ) ∂ r = k ▿ 2 T 式中：e为比焓，以比焓的形式把相变的影响考虑进去，适用于整个计算区域，其中焓与温度的关系式可表示成如下的形式： T = T m + e / c , e ≤ 0 T m , 0 < e < ΔH m T m + ( e - ΔH m ) / c , e ≥ ΔH m 式中：e为比焓，ρ为密度，t为时间，k为导热系数，c为比热容，T为温度，Tm为相变温度，ΔHm为物质单位质量的相变潜热；(6)定义边界条件：定义所述高温蓄热容器的内壁为热流边界，外壁和侧壁为绝热边界，其它壁面为流/固耦合边界；其中，所述热流边界为周期性热流边界；设定日照期为40min，阴影期为50min，写入周期性热流自定义函数，其中：a)日照期热流密度qsun的函数关系如下：qsun＝15424‑24.88(Twall‑1020)b)阴影期热流密度qshadow的函数关系如下：qshadow＝‑12314‑24.88(Twall‑1020)其中，Twall为高温蓄热容器的内壁温度；(7)定义初始条件：对整个计算区域进行初始化，设定初始温度及初始速度；(8)设定监视内壁面温度、相变材料(PCM)温度场及液相分数分布，设定监视相变材料(PCM)熔化率变化；(9)对步骤(5)中的偏微分控制方程进行离散化得到代数方程组，并利用步骤(6)的边界条件和步骤(7)的初始条件进行封闭和求解；(10)设定时间步长及迭代次数，对计算区域内的代数方程组反复进行迭代计算，直到满足所设定的迭代精度为止，完成重力条件下蓄热容器内固/液相变的数值模拟；(11)对计算结果进行后处理，绘制出云图及相关曲线。