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太阳能腔式吸热器热性能和热应力分析

作　者: 康剑南
导　师: 谈和平
学　校: 哈尔滨工业大学
专　业: 工程热物理
关键词: 腔式吸热器静态热性能动态热性能热应力
分类号: TK513
类　型: 硕士论文
年　份: 2010年
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内容摘要

太阳能吸热器是一种将太阳能转化为热能的装置,其热转换效率会直接影响到整个太阳能系统的效率和经济性。由于太阳能的间歇性和空间分布的不均匀性,会导致吸热器壁面产生很大的温度梯度和热应力,严重时甚至会使吸热器产生变形或破裂,影响整个太阳能系统的安全性。本文以高效安全的太阳能光热利用为背景,采用Fluent和Ansys软件,结合UDF接口技术,对腔式吸热器进行了传热性能和应力分析的数值模拟。本文具体研究内容包括:针对三种结构的吸热器模型(梯型(TX)、梯形挡板型(TD)、球型(QX)),研究了吸热器腔体与环境的对流和辐射热损失随模型倾斜角度的变化关系,获得了三种模型理想状态下的静态散热性能,与文献结果比较验证了本文采用模型的可靠性。针对含光学窗口的太阳能吸热器,建立了二维非稳态传热分析模型,考虑了一天中太阳照射强度随时间变化的迁移性和焦平面处能流分布的不均匀性,研究了吸热器的动态热性能,获得了吸热器传热性能随时间和热源分布形式的变化规律。研究了螺旋管盘绕而成的腔式吸热器的热应力分布特性,分析了在给定壁面热流、吸热管内部有恒定流量的工质的情况下,获得了吸热器的温度场和应力场的分布特性。通过本文的研究,为腔式吸热器的结构优化设计、吸热器的动态热响应分析、吸热器热应力的减弱方法提供了数值基础和参考依据。

全文目录

摘要  4-5
Abstract  5-8
主要符号表  8-11
第1章绪论  11-20
  1.1 课题背景  11-15
    1.1.1 太阳能的热利用  11-15
    1.1.2 太阳能吸热器  15
  1.2 吸热器热性能及热应力研究现状  15-19
    1.2.1 国外研究现状  15-17
    1.2.2 国内研究现状  17-19
  1.3 课题来源及主要研究内容  19-20
    1.3.1 课题来源  19
    1.3.2 主要研究内容  19-20
第2章计算方法与计算平台介绍  20-31
  2.1 基本方程  20-22
    2.1.1 流体动力学基本方程  20-21
    2.1.2 辐射传递方程  21
    2.1.3 热弹性力学基本方程  21-22
  2.2 数值方法简介  22-25
    2.2.1 有限元法  23-24
    2.2.2 有体积法  24
    2.2.3 两种方法比较  24-25
  2.3 计算平台介绍  25-30
    2.3.1 Fluent 简介  25-29
    2.3.2 Ansys 简介  29-30
  2.4 本章小结  30-31
第3章太阳能腔式吸热器静态热性能研究  31-42
  3.1 算例验证  31-35
    3.1.1 封闭腔模型验证  31-32
    3.1.2 改进半球形吸热器模型验证  32-35
    3.1.3 算例验证结论  35
  3.2 数理模型  35-37
  3.3 求解方法  37
    3.3.1 Fluent 求解模型选择  37
    3.3.2 边界条件  37
  3.4 结果分析  37-41
    3.4.1 温度场模拟  37-40
    3.4.2 热损失  40-41
  3.5 本章小结  41-42
第4章太阳能腔式吸热器动态热性能研究  42-58
  4.1 方法验证  42-43
  4.2 数理模型  43-46
    4.2.1 入射辐射强度模型  44-45
    4.2.2 对流与辐射模型  45-46
  4.3 定解条件  46-47
  4.4 结果分析  47-57
    4.4.1 温度场  47-53
    4.4.2 吸热壁面平均努塞尔数  53-55
    4.4.3 热损失及效率  55-57
  4.5 本章小结  57-58
第5章太阳能腔式吸热器的热应力分析  58-65
  5.1 几何模型及模拟方法  58-61
    5.1.1 几何模型  58-59
    5.1.2 物理过程及模拟方法  59-61
  5.2 计算结果与分析  61-63
    5.2.1 吸热器温度场  61-62
    5.2.2 吸热器应力场  62-63
  5.3 本章小结  63-65
结论  65-67
参考文献  67-72
攻读硕士学位期间发表的论文及其它成果  72-74
致谢  74

太阳能腔式吸热器热性能和热应力分析

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