正截球体型涡流发生器在太阳能空气集热器中的应用研究

作     者：张义仁 

作者单位：燕山大学 

学位级别：硕士

导师姓名：胡建军

授予年度：2023年

学科分类：080703[工学-动力机械及工程] 08[工学] 0807[工学-动力工程及工程热物理] 

主      题：太阳能空气集热器 涡流发生器 强化换热 实验探究 数值模拟 参数优化 

摘      要：太阳能空气集热器作为一种常见的光热转化装置,可以将太阳辐射能转化为空气内能,被广泛应用于建筑物辅助供热,农作物和木材的干燥等领域。为了克服平板型太阳能空气集热器中换热强度低的局限性,本文提出了一种新型正截球体型涡流发生器并将其应用在集热器中,因其自身特殊的扰流特性,在理论上可实现强化换热的同时,又能在一定程度上降低流动阻力。首先,通过搭建涡流发生器型太阳能空气集热器室内实验台,从实验角度验证了正截球体型涡流发生器提高集热器性能的可行性。实验探究了涡流发生器四个结构参数(偏转角度、横向间距、纵向间距和高度)以及雷诺数Re的变化对集热器性能的影响。并在实验数据的基础上,使用最小二乘法拟合出了Nu和f与Re以及涡流发生器结构参数之间的函数关联式,且两个关联式的平均预测精度分别为97.46%和91.4%,皆能良好地预测集热器内部传热特性和流动特性。其次,通过Meshing、Fluent等软件构建了涡流发生器型太阳能空气集热器的数值模型,借助数值模拟手段深入分析了正截球体型涡流发生器强化换热机理和流动特性。在实验结果的基础上,进一步拓展了涡流发生器结构参数的数量和范围,并详细分析了各参数对集热器性能的影响,包括偏转角度、横向间距、纵向间距、高度、圆周角、纵向排列角、交错排列比以及开洞方式等八个结构参数。结果发现前五个结构参数对集热器性能的变化有显著影响,但后三个参数并不会对集热器性能造成实质性的影响。最后,以MATLAB和Design Expert软件为工具,依次经过BBD法设计试验、最小二乘法建立输入值和输出值之间联系、非支配遗传算法进行寻优计算等步骤展开对涡流发生器进行结构参数优化,得出了正截球体型涡流发生器结构参数的最优值组合以及对应的集热器性能最优值,为本集热器的工程化应用提供了理论基础。在本章最后还将本集热器的优化结果与同类文献进行了比较,发现本文设计的新型涡流发生器引起的集热器性能增强效果在同类涡流发生器中位居前列。