system: [SYSTEM]

user: 5. 数值模拟结果与分析 5.1. 自然对流对蓄热过程的影响 当熔盐的密度为常数时，相变层内的传热方式只有导热，此时即忽略熔盐区的自然对流。当熔盐的密度是随温度变化的函数时，发生相变以后，温度高的熔盐区域密度小，温度低的区域熔盐密度大，温度的不同导致熔盐密度的不同，密度差诱发自然对流的发生。此时熔盐发生相变后不仅存在导热同时也存在自然对流。为了探究自然对流对熔盐融化过程的影响，模拟加热8小时后的熔盐液相率云图如图5和图6所示。 由图5可以看出考虑自然对流时，刚开始熔盐平行于加热面融化，但是随着固液相熔盐的密度不同，融化后的熔盐开始流向相变层的上方，熔盐从上往下开始融化。图6中忽略自然对流时，熔盐区域不存在密度变化引起的流动，固液分界面平行于加热面，熔盐依次融化。由图7可以看出考虑自然对流时熔盐从0.5 h小时开始融化，在3.5 h全部融化完毕，全部融化时间为3 h。忽略自然对流时，开始时熔盐的融化速率明显要慢于考虑自然对流时的速率。从0.5 h开始融化，8 h全部融化完毕，融化时间为7.5 h，融化时间比考虑自然对流时增长了114%。对于相变蓄热来说，只有快速融化，才能发挥潜热的优势，同时产生自然对流，对蓄热起到促进作用。因此对于相变材料来说，融化过程中考虑自然对流是有效的，也是有必要的。 为了比较自然对流对复合体蓄热量的影响，每半个小时对蓄热体的蓄热量进行统计，数据结果如图8所示。从图8可以看出在熔盐未融化时，两者的蓄热量相当，而随着熔盐的融化，两者开始产生差异。在熔盐融化的前期两者进行相比，考虑自然对流情况的蓄热量略低，显示出了熔盐导热系数低所导致的热阻效应。但是随着融化的进行，熔盐潜热的作用和融化区自然对流的增强，考虑自然对流的蓄热量开始反超，并在8 h后，达到了35731.8 KJ，相比于忽略自然对流33462.9 KJ的蓄热量，增长了2268.9 KJ，增长率为6.8%。综上所述，从融化速率和蓄热量的情况来讲，对于以上复合蓄热结构必须考虑熔盐自然对流的影响。固下文所讨论的复合体即为考虑了熔盐自然对流的复合蓄热体。 图3.网格划分示意图 图4. 网格无关性验证示意图 图5. 考虑自然对流的液相率云图 图6. 忽略自然对流的液相率云图 图7. 熔盐的液相率随时间变化的关系曲线 图8. 蓄热量随时间变化的示意图 5.2. 蓄热过程温度分布的比较 加热面的边界条件为恒温加热，蓄热体内的温度分布对蓄热量有一定的影响，只有靠近加热面的温度较低，产生较大的温差才能保证蓄热量的增大。为了比较复合体和混凝土蓄热过程的温度分布，得到温度分布的数值模拟结果如图9所示。从图9可以看出，复合体内的温度分布不均匀，相变层内的自然对流，导致高温熔盐集中在熔盐的上部，整个蓄热体的上方温度明显比下方温度要高。自然对流的作用导致热量向对称轴侧的混凝土区快速传递，从温度云图可以看出，复合体对称轴侧的混凝土的平均温度要高于纯混凝土蓄热体，这个区域的显热蓄热能力被进一步利用。纯混凝土蓄热体呈现明显的温度分层，并且温度分布平行于加热面。 5.3. 蓄热量的比较 对于混凝土蓄热结构来说，加热过程中蓄热量是以显热方式进行储存的，而在混凝土–熔盐蓄热结构中由于涉及到熔盐的相变过程，熔盐区域的蓄热过程是显热–潜热–显热的方式。熔盐融化后的自然对流对蓄热过程的影响，导致复合蓄热体的蓄热过程要复杂一些。为了清晰的比较和分析加入熔盐相变层后对复合体结构的蓄热过程和蓄热量的影响，对两种结构进行分区比较。混凝土结构按照复合体的结构进行相应的分区，复合体分区示意图如图10所示。 图9. 蓄热体随时间变化的温度云图(左：复合体，右：混凝土) 图10. 复合体分区示意图 图11. 一区的蓄热量随时间变化的示意图 相变层的加入对复合体蓄热量的影响，不仅仅体现在熔盐的相变潜热，增加了二区的蓄热量，同时由于自然对流的产生也会对一区和三区混凝土的蓄热量产生影响。从图11可以看出，复合体一区蓄热量呈现快速减小的趋势，减小一方面是因为混凝土中温度升高导致和加热面的温差减小，蓄热量出现大幅度的减少；另一方面随着熔盐的融化，自然对流的作用导致一区蓄热量快速向熔盐区传热，也会出现蓄热量的减小。混凝土蓄热体一区蓄热量的变化趋势与复合体相似，但减小的速率较慢，这是因为减小的原因只是蓄热体内温度增加与加热面的温差变小。8小时后复合体一区蓄热量为25454.30 KJ，相比混凝土一区蓄热量为25595.27 KJ，减小140.97 KJ，减小率为0.56%。随着蓄热时间的进行，自然对流的产生，会使复合体一区蓄热量向熔盐侧快速传递，减小一区混凝土平均温度，使复合体能够储存更多的热量。 混凝土蓄热体中加入相变层以后，二区的蓄热形式发生了改变，从原来混凝土的显热蓄热变成了熔盐的显热和潜热蓄热。由于相变过程中潜热的作用，复合体的蓄热量一定会发生变化。为了分析熔盐层的加入，对二区蓄热量的影响，现统计两种蓄热结构二区的蓄热量如图12所示。从图12可以看出两种结构二区的蓄热量都是呈现先增加后减小的趋势，并能够明显的看出在熔盐相变的时间段内，复合体二区的蓄热量要明显多于混凝土二区的蓄热量，这主要是在相变的过程中，熔盐潜热造成的。蓄热刚开始时，热量没有大幅度传到二区，因此此时二区蓄热量比较少，随着蓄热过程的进行，二区蓄热量不断上升，会达到一个峰值，然后出现下降。这是因为蓄热过程中一区平均温度的不断上升，导致温差变小，对于恒温加热壁面来说，温差的减小，导致加入的热量减小，二区蓄热量随后也出现相同的响应。在加热后期的时间段内复合体二区蓄热量低于混凝土二区蓄热量，这是后期熔盐的自然对流作用使二区蓄热量向三区混凝土传递造成的。8小时后，混凝土二区蓄热量为85795.01 KJ，复合体二区蓄热量为94248.26 KJ，增长了8453.25 KJ，增长率为9.8%，这其中熔盐的潜热起了决定性的作用。 图12. 二区的蓄热量随时间变化的示意图 蓄热结构蓄热量的多少与蓄热体中蓄热物质蓄热潜力的充分利用有很大的关系。对于加热面为恒壁温的情况，靠近加热面的温度较高，而远离加热面的温度较低，这就会导致远离加热面处蓄热物质的蓄热潜力不能被充分利用，影响蓄热体整体的蓄热量。为了分析相变层的加入对蓄热潜力利用的影响，统计了蓄热过程中两种蓄热结构三区的蓄热量如图13所示。从图13可以看出两种结构三区蓄热量与二区蓄热量相似都是呈现先增加后减小的趋势。后期复合体三区蓄热量低于混凝土三区蓄热量，是后期此结构中，三区蓄热体的平均温度较大，温差较小的缘故。8小时后，复合体三区蓄热量为852.61 KJ，相比于混凝土三区蓄热量731.93 KJ，增长了16.5%。复合体中三区混凝土蓄热物质的蓄热潜力得到了更好的利用，这对蓄热体是有益的。相变层的加入对于改善蓄热过程，增加蓄热量是有效的。 相变层的加入对蓄热体各区的蓄热量都产生了一定的影响，为了更加直观体现整体蓄热量的变化，计算出了两种蓄热结构在不同时间整体蓄热量如图14所示。从图14可以看出开始阶段的复合体蓄热量是小于混凝土蓄热体的蓄热量，在相变层刚开始融化时，熔盐自然对流作用较弱，导热系数只有混凝土导热系数的五分之一，相变层结构对整个蓄热结构的传热有一定的阻碍作用。随着相变层的完全融化，熔盐潜热的热量吸收，复合体蓄热量出现反超，并在8小时后达到35731.74 KJ，相比于混凝土蓄热结构蓄热量的34906.71 KJ，增长了825.03 KJ，增长率为2.36%。相变层的加入对蓄热量的增加虽然有一定的促进作用，但是促进作用是逐渐显现出来的，并且在开始阶段还有一定的阻碍作用，此种结构适合比较长加热时间的蓄热过程中，在加热时间较短的蓄热过程中，相变层的优势不能充分显现出来。 图13. 三区的蓄热量随时间变化的示意图 5.4. 相变层相对加热面的距离对复合体蓄热量的影响 相变层相对加热面距离的结构图如图15所示，为了确定相变层在复合蓄热体结构中的位置，通过模拟计算了当相变层为100 mm，距离加热面55、75、95、115、135 mm时，8小时后复合蓄热体相应的蓄热量。比较相变层的相对位置对蓄热量的影响，得到了相变层相对位置与蓄热量规律的关系如图16所示。从图16可以看出，相变层距离加热面越远，复合体的蓄热量越多。对于混凝土结构8小时的蓄热量34906.71 KJ来说，当相变层距离加热面为55 mm时，复合体的蓄热量为30743.23 KJ，与之相比减少了4163.48 KJ。而当相变层距离加热面为135 mm时，复合体的蓄热量却达到了46183.57 KJ，与之相比增加了11276.86 KJ，增长率达到了32.31%。对于此复合体的结构来说，合理选择相变层的位置是极其重要的。 图14. 整体蓄热量随时间变化的示意图 图15. 相变层相对于加热面距离的结构图(单位：mm) 图16. 蓄热量随相变层相对加热面距离的变化图