材料为蓄热介质，利用Gambit 建立三维蓄热器模型，应用ICEM对几何模型进行网格划分，运用流体计算软件Fluent模拟计算螺旋槽管和光滑管相变蓄热器的蓄热过程，考察螺旋槽管的强化传热效果。模拟计算螺旋槽管蓄热器不同槽纹节距和槽深等结构参数对蓄热器蓄热过程的影响，并对其影响规律进行了分析。结果表明，螺旋槽管代替光滑管用于太阳能相变蓄热器，可有效提高相变蓄热过程中的对流换热强度和传热能力，缩短蓄热时间，在模拟范围内，得到的最佳螺旋槽管结构参数为节距p=7 mm，槽深e=04 mm。螺旋槽管传热性能良好，对其深入研究有望进一步改进相变蓄热器的设计方案。
关键词：太阳能；相变蓄热；螺旋槽管；强化传热；数值模拟
中图分类号：TK02 文献标志码：A
太阳能对地球能量的输送存在间歇性，为了满足生产、生活用能的连续、稳定供应的需要，需将太阳能用适当的方式储存起来，再在适当的时候将其取出利用。相变蓄热系统作为解决能源供应时间与空间矛盾的有效手段，是提高能源利用率的重要途径之一。相变蓄热器采用潜热式能量储存，可以将多余的热量通过相变以潜热的形式储存起来，其中固-液相变以其储存能量密度大、温差小，具有更大的实际应用价值[1-2]。设计结构合理、储热高效的相变蓄热器，建立蓄热系统的物理模型，对其蓄放热特性进行研究，对提高太阳能热利用效率具有重要意义[3]。
近年来，关于太阳能相变蓄热器的研究有很多，如李新国等[4]对圆管外石蜡的相变蓄热进行了实验研究，得出了同心套管相变蓄热器的蓄热规律。而崔海亭等[5]则是对李新国等的实验中的蓄热器结构提出了改进方案：将蓄热器中一根粗圆管改为四根细圆管得到蓄热过程中的温度变化云图和液相率变化曲线，对两种模型相变区的蓄热过程进行对比分析表明，多管排列模型比同心套管模型的蓄热能力更强，合理地增加套管蓄热器内管的数量，可以有效地增加相变材料相变过程的对流强度，提高换热效率。
螺旋槽管即螺纹管，用于强化管内气体或液体的传热，强化管内液体的沸腾或管外蒸汽的冷凝[6]。其强化机理是，流体在管内流动时受螺旋槽纹的引导使靠近壁面的部分流体沿槽旋流，有利于减薄边界层厚度；还有一部分流体沿壁面轴向流动，由螺旋槽纹凸起产生轴向漩涡，引起边界层分层及边界层中流体扰动，从而加快由壁面至流体主体的热量传递[7]。螺旋槽管具有较好的传热性能，对于其传热与流阻性能，已有不少学者进行过研究[8-11]。图1为螺旋槽管的结构示意图，其中d为管径，2t为槽宽，p为节距，e为槽深，β为螺旋角[12-13]。将螺旋槽管引入太阳能相变蓄热器，将多管排列结构中光滑直管替换为槽纹管，并对不同节距、不同槽深的单头螺旋槽管相变蓄热器的蓄热过程进行了数值模拟与分析，考察了不同结构参数对相变蓄热器强化传热性能的影响。
1 模型建立
1.1 物理模型
图2为设计的相变蓄热器结构示意图，外部高H为313 mm，直径D为126 mm的不锈钢环形圆筒；内部为沿中心对称分布4根直径d为13 mm的内管，4根内管中心的纵横间距L为31 mm。当流体流过螺旋槽管管内时，由于螺旋型沟槽的存在，使得管内壁面处的流体产生了二次流和旋转流，有利于减薄边界层，降低壁面热阻，强化传热；同时在流体湍流核心处又不会出现很强的二次流和旋转流，从而不会使得阻力增加很大，总传热性能增强[14]。对于管外，将螺旋槽管代替光滑管，一是增大了相变材料与管内流体的换热面积，二是同样增加了管外液相相变材料的湍流程度，同样增强了管内外流体的传热。
选用结构参数为p=6 mm，e=0.5 mm，d=13 mm的螺旋槽管的结构参数为基准，其他参数如表1和表2所示。内管中的传热流体为水，内管和壳体之间封装相变材料。传热流体沿内管从左侧流入、从右侧流出。传热流体与内管管壁换热，内管管壁再与相变材料换热，相变材料通过相变蓄热。为了防止整个壳体热量的散失，壳体外壁需包裹绝热材料。為了强化相变蓄能能力，国内外学者做了大量理论和试验方面的研究，通过在相变材料中添加各种形态的金属、石墨、肋片等措施，强化相变材料的导热系数，从而达到提高相变蓄热效率的目的[15-19]。因此，为强化相变蓄热装置的蓄热能力，所用相变材料为添加10%膨胀石墨的石蜡，其物性参数[20]如表3所示。
1.2 数学模型的建立
采用Fluent软件对相变蓄热装置的蓄热过程进行数值模拟，数值计算中采用以下基本假设[21-22]：
1）石蜡视为纯净、各项同性；
2）蓄热器模型忽略内管的壁厚，不考虑管壁直接和热流体、石蜡间的传热；
3）忽略外筒壁厚和外壁面的热量损失；
4）相变材料、液相区域中的流体为不可压缩牛顿流体；
5）考虑管内自然对流的影响，自然对流为层流。
1.3 网格划分及无关化验证、模型验证
1）网格无关化验证
首先按节点间隔分别以2和3进行网格划分。间隔为2时，网格质量较好，得到的网格数为500万个左右，软件运行速度很慢；间隔为3时，网格质量较差，因此采取了设置节点间隔为3，在螺旋槽管内外进行网格局部加密的办法对计算区域进行网格划分，两次局部加密得到的网格数量分别为260万个和300万个，网格质量、检测质量均较好。软件运行时，在相同边界和时间步长条件下进行数值模拟，得出了几乎完全重合的温度曲线图和液相率曲线图。因此本文数值模拟选用了节点间隔为3，螺旋槽管周围局部加密，网格数为260万个的网格划分方式。
