PDF《泡沫金属相变材料凝固传热过程的数值分析》

1 数学模型的建立 图1所示为相变蓄热球储能槽装置示意图, 图2为蓄热球的物理模型.为使计算更加方便, 对蓄 热球的物理模型及相变蓄热材料的物理性质参数等 作出了一些基本假设, 具体见参考文献[ 8] . 笔者在相变材料中加入泡沫金属后使用有效导 热系数的概念进行以后的传热过程的模拟计算.其 有效导热系数计算按文献[ 8] 中的公式计算: keff = km kr + 2km -

2 (km - kr ) kr + 2km + (km- kr ) . 式中: km 为泡沫金属的导热系数, J/ ( kg K) ;

kr 为石蜡导热系数, J/ ( kg K) ;

为泡沫金属的孔隙 率;

keff 为加入泡沫金属后复合石蜡的当量导热系数. 根据 FLUENT 的Solidification/ Melting 的基 本理论, 并采用以上假设后, 数学模型可以简化 如下. 连续性方程: ( u) x + ( v) y = 0. 动量方程:

1 u +

1 2 [ ( uu) x + (uv) y ] = - peff x + (

2 u x2 +

2 u y2 );

1 v +

1 2 [ (vv ) y + ( uv) x ] = - peff x + (

2 v x2 +

2 v y2 ). 能量方程: T + u T x + v T y = k c (

2 T x2 +

2 T y2 ). 其中: c= cs, T<

(T m- T ), H m

2 T + cs+ cl

2 , (T m- T ) T (T m+ T ), cl, T>

(T m+ T );

k= ks, T<

(T m- T ), ks+ (T - T m+ T ) kl- ks

2 T , ( Tm - T ) T ( Tm + T ), kl , T>

(T m+ T ). 初始及边界条件为 T (x, y, 0)= T init ;

keff T r = 0, r 0. 式中: ks, kl 为固态、 液态石蜡的导热系数, J/ ( kg K) ;

cs , cl 为固态、液态石蜡的比热, J/ ( kg K) ;

H m 为石蜡的相变焓, J;

为液态石蜡 的动力黏 度, kg/ ( m s ) ;

T m 为石蜡 的相变温 度, K.

2 FLUENT 的基本设置及数值计算结果 2.

1 几何模型及网格划分 利用 FLUENT 对直径为

10 cm 的相变蓄热球 进行数值模拟计算, 球壁面为固壁边界.利用前处 理软件 Gambit 进行建模和网格划分, 选用 quad 网格, 划分之后的蓄热球计算网格见图 3. 2.

2 计算参数的设置 利用 FLUENT 6. 3.

26 软件, 选择 2D 分离式、 非稳态求解, 流动为层流, 采用 Solidification/ M elt

2 河北工业科技第28 卷图3蓄热球网格划分 Fig.

3 Mesh of heat storage ball ing 模型.在凝固过程中, 将蓄热球的固壁温度设 为308 K, 初始温度选取为

338 K, 纯相变材料蓄热 球在计算时将时间步长选为 10~

30 s, 加入泡沫金 属后的步长定为 0. 5~

2 s. 2.

3 模拟结果及分析( 见图 4- 图11) 图4 为凝固时间 t=

200 s 时纯石蜡的温度分布 图, 图5为凝固时间 t=

200 s 时填充泡沫金属后石 蜡的温度分布图.分析两图可知, 凝固

200 s 时, 有 泡沫金属的 石蜡球中 心点温度 已经降低到 了334 K, 而纯石蜡球只是边缘温度略有减低. 图6为无泡沫金属纯石蜡凝固时间t=

200 s 时 蓄热球内的固、 液相分布图, 图7为凝固时间 t=

200 s时有泡沫金属石蜡蓄热球的固、 液相分布图. 纯石蜡球基本处于未凝固状态, 而有泡沫金属的石 蜡球凝固区域达到 50% 左右. 图8为无泡沫金属纯石蜡凝固时间t=

400 s 时 的温度分布图, 图9为有泡沫金属石蜡凝固时间 t=

3 第1期曹向茹等 泡沫金属相变材料凝固传热过程的数值分析 图9有泡沫金属石蜡

400 s 的温度分布图 Fig.

9 T em perat ure dist ribution of paraffin w ith metal foam at

400 s

400 s 时的温度分布图.由图

8 和图

9 可见, 随着凝 固时间的进行,

400 s 时刻无论是填充还是未填充泡 沫金属的蓄热球, 其内部相变材料的冷却区域面积在 明显增大. 图10 为无泡沫金属石蜡凝固时间 t=