多尺度結(jié)構(gòu)高溫混合蓄熱的熱過程特性及強(qiáng)化機(jī)理

本項目以太陽能高溫?zé)徂D(zhuǎn)換利用為應(yīng)用背景，以斜溫層蓄熱單罐設(shè)計理念為基礎(chǔ)，采用混合硝酸熔融鹽作為傳熱蓄熱介質(zhì)，鋯質(zhì)蓄熱球與泡沫碳化硅陶瓷兩種代表性的多孔介質(zhì)填料作為固體蓄熱體，構(gòu)建了多尺度結(jié)構(gòu)斜溫層混合蓄熱方法及系統(tǒng)。實驗研究了多尺度結(jié)構(gòu)中熔融鹽的流動與蓄熱特性，包括溫度場分布、斜溫層的形成與演化、有效蓄熱容量等，確定流體進(jìn)口速度、蓄熱溫差等工況參數(shù)對熔融鹽在多尺度結(jié)構(gòu)中流動與傳熱性能的影響趨勢與作用規(guī)律。研究結(jié)果表明，由于斜溫層的存在，三種實驗蓄熱方式中的理論蓄熱效率小于80%；多孔介質(zhì)填料的加入有利于保持熔融鹽流體為理想的重力流或活塞流，并部分替代價格較高的熔融鹽傳熱蓄熱介質(zhì)，因而采用類似的球形顆?；蚺菽沾啥嗫捉橘|(zhì)填料時需要結(jié)合系統(tǒng)的蓄熱容量以及經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行最優(yōu)化設(shè)計。 基于多孔介質(zhì)局部熱平衡理論，建立考慮流體熱物性變化的斜溫層蓄熱數(shù)值模型，利用Fluent軟件對熔融鹽斜溫層混合蓄熱與放熱過程進(jìn)行了數(shù)值分析，研究多孔介質(zhì)物性、孔隙結(jié)構(gòu)以及工況參數(shù)等對多尺度結(jié)構(gòu)中熔融鹽傳熱與流動的影響規(guī)律，并根據(jù)蓄熱實驗測試結(jié)果驗證數(shù)值計算模型的有效性。結(jié)果表明，在蓄熱及放熱過程中，蓄熱單罐內(nèi)均形成了穩(wěn)定的斜溫層，并且隨著時間的推移，斜溫層的位置沿熔融鹽流動方向移動，其厚度不斷增加，但增加量逐漸趨緩；采用合理的低流速進(jìn)行高溫蓄熱可以控制斜溫層的形成及演化，從而提高系統(tǒng)的蓄熱效率。比較數(shù)值計算結(jié)果與實驗結(jié)果可知，其溫度場、斜溫層等特征參數(shù)的分布及變化規(guī)律是基本一致的，最大相對偏差值為13.9%，說明基于多孔介質(zhì)局部熱平衡理論建立的計算模型對于描述多尺度結(jié)構(gòu)中熔融鹽流動與傳熱現(xiàn)象是適用的。 探索強(qiáng)化蓄熱過程傳熱傳質(zhì)機(jī)理與方法，優(yōu)化設(shè)計多尺度結(jié)構(gòu)熔融鹽單罐蓄熱系統(tǒng)。設(shè)定一種體積熱容（ρcp）高于熔融鹽的球形顆粒填料，在指定工況下對蓄熱過程進(jìn)行數(shù)值模擬。對比分析可知，其蓄熱時間相比于熔融鹽單相流體斜溫層蓄熱方式有較明顯的延長，即提升了系統(tǒng)的有效蓄熱體積容量，估算其增幅約為17%；同時在整個蓄熱過程中，新設(shè)定系統(tǒng)的斜溫層厚度與增長速率均低于熔融鹽單相流體斜溫層蓄熱方式。因此，通過對斜溫層混合蓄熱系統(tǒng)的多孔介質(zhì)填料進(jìn)行性能提升或者結(jié)合熔融鹽復(fù)合相變材料蓄熱方式，可以實現(xiàn)對蓄/放熱過程斜溫層的形成及演化進(jìn)行優(yōu)化調(diào)控，從而提高系統(tǒng)的蓄熱效率，這也為下一步的研究工作指明了努力的方向。

本項目以太陽能高溫?zé)徂D(zhuǎn)換利用作為基礎(chǔ)研究的應(yīng)用背景，提煉出開發(fā)高溫蓄熱技術(shù)所需解決的多尺度結(jié)構(gòu)中多相流體流動行為與耦合傳熱傳質(zhì)規(guī)律的關(guān)鍵科學(xué)問題，作為研究目標(biāo)。采用熔融鹽作為傳熱蓄熱介質(zhì)，構(gòu)建多尺度結(jié)構(gòu)斜溫層混合蓄熱方法及系統(tǒng)，研究多尺度結(jié)構(gòu)中傳熱蓄熱介質(zhì)流動與熱交換規(guī)律。以結(jié)構(gòu)尺度、孔隙分布和微弱現(xiàn)象影響區(qū)域為重點考慮，確定傳遞現(xiàn)象、各種微弱效應(yīng)現(xiàn)象與多尺度因素的耦合關(guān)系，深入探悉多孔微細(xì)結(jié)構(gòu)內(nèi)多相多物系界面遷移特性，揭示微結(jié)構(gòu)形成、穩(wěn)定性條件和結(jié)構(gòu)突變對多孔蓄熱材料中熔融鹽輸運過程的影響機(jī)理和耦合作用規(guī)律，確定多孔蓄熱材料微結(jié)構(gòu)與宏觀輸運特性之間量化關(guān)系，發(fā)展多孔蓄熱材料微結(jié)構(gòu)可控的設(shè)計與制備新技術(shù)，探索強(qiáng)化蓄熱過程傳熱傳質(zhì)機(jī)理與方法，實現(xiàn)對高溫蓄熱過程宏觀現(xiàn)象的理論預(yù)測以及過程工程設(shè)計的一般方法。

本書系統(tǒng)介紹了作者近年來在土石混合體破裂與滲流過程中結(jié)構(gòu)演化的多尺度力學(xué)特性方面所取得的學(xué)術(shù)成果，從結(jié)構(gòu)劣化多尺度工程地質(zhì)力學(xué)角度出發(fā)，對土石混合體結(jié)構(gòu)弱化過程中土石相互作用及互饋致災(zāi)力學(xué)響應(yīng)進(jìn)行了較為系統(tǒng)的研究。全書共 6 章，主要內(nèi)容包括：緒論、土石混合體細(xì)觀數(shù)值試驗研究、土石混合體實時超聲波試驗研究、土石混合體實時 CT 掃描試驗研究、土石混合體滲流特性結(jié)構(gòu)控制機(jī)理研究和土石混合體滲流破壞演化特性研究。

由于傳統(tǒng)換熱介質(zhì)的熱容量和導(dǎo)熱系數(shù)較小以及普通換熱設(shè)備的換熱效率低下，嚴(yán)重影響換熱設(shè)備換熱效率的提升。本項目將納米流體與不同強(qiáng)化結(jié)構(gòu)的換熱面相結(jié)合應(yīng)用于光熱轉(zhuǎn)換、換熱器、電子元件冷卻等領(lǐng)域的換熱設(shè)備中，對納米流體與強(qiáng)化傳熱面的耦合傳熱特性及強(qiáng)化機(jī)理進(jìn)行研究。針對光熱轉(zhuǎn)換的腔體，本項目建立了納米流體流動與傳熱的兩相格子Boltzmann模型，研究了納米顆粒間的相互作用機(jī)理和納米顆粒在腔體內(nèi)的分布規(guī)律，揭示了納米顆粒粒徑對流動與傳熱的影響規(guī)律，結(jié)果發(fā)現(xiàn)布朗力的數(shù)量級遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于顆粒間其它的作用力，在強(qiáng)化換熱方面起著決定性的作用，納米顆粒主要分布在腔體的上部或者中部，粒徑越小越有利于強(qiáng)化傳熱，這對光熱轉(zhuǎn)換腔體內(nèi)傳熱介質(zhì)及工況的選擇、傳熱機(jī)理的解釋及強(qiáng)化傳熱的方向提供了一定的指導(dǎo)意義。針對換熱器，本項目配制了不同種類的納米流體，提出了一種基于紫外分光光度計的穩(wěn)定性檢測方法-透過比法，該方法是一種定量檢測方法，與定性的沉淀法相比，具有更加準(zhǔn)確的優(yōu)勢。本項目將配制的納米流體與各種強(qiáng)化結(jié)構(gòu)的換熱管相結(jié)合，研究了不同結(jié)構(gòu)的強(qiáng)化換熱面、納米顆粒組分對流動與傳熱的影響，發(fā)現(xiàn)強(qiáng)化結(jié)構(gòu)與納米流體的結(jié)合大大提升了換熱效果，同時也大大增加了其流動阻力。為了能夠客觀、綜合地評價這些強(qiáng)化技術(shù)，引入了火用效率，但是傳統(tǒng)的火用效率需要針對每一個物理問題進(jìn)行模型建立及公式推導(dǎo)，過程繁瑣。本項目提出并建立了一種統(tǒng)一的火用效率評價準(zhǔn)則圖，與傳統(tǒng)的火用效率評價相比，本項目的火用效率評價準(zhǔn)則圖適用范圍更廣，只要涉及到強(qiáng)化手段，該評價準(zhǔn)則均可適用，并且不再需要單獨推導(dǎo)和建模，這對于以后新的強(qiáng)化技術(shù)在能的品質(zhì)上的綜合評價有一定的指導(dǎo)意義。針對電子元件冷卻，本項目研究了不同的強(qiáng)化換熱面與納米流體的結(jié)合，結(jié)果發(fā)現(xiàn)最大納米顆粒組分的冷卻效果不是最好，而是存在一個臨界組分，這對于電子元器件冷卻表面結(jié)構(gòu)的設(shè)計、傳熱介質(zhì)及工況的選擇提供了一定的指導(dǎo)意義。

由于傳統(tǒng)換熱介質(zhì)的熱容量和導(dǎo)熱系數(shù)較小以及普通換熱管道的換熱效率低下，嚴(yán)重影響換熱設(shè)備換熱效率的提升。本項目將不同顆粒結(jié)構(gòu)的納米流體與強(qiáng)化換熱管相結(jié)合應(yīng)用于換熱設(shè)備中，對強(qiáng)化換熱管內(nèi)納米流體耦合傳熱特性及強(qiáng)化機(jī)理進(jìn)行研究，用于提高換熱設(shè)備的換熱效率。研究內(nèi)容主要包括：將納米顆粒微觀結(jié)構(gòu)的影響引入顆粒間相互作用力模型中，建立更高精度的納米流體顆粒間相互作用力模型；耦合納米顆粒間主要相互作用力和強(qiáng)化換熱管主要結(jié)構(gòu)參數(shù)，完成高階復(fù)雜湍流模型的降階處理，建立強(qiáng)化換熱管內(nèi)納米流體湍流流動與傳熱的格子Boltzmann模型；研究納米顆粒間的相互作用機(jī)理和納米顆粒的分布規(guī)律；揭示納米顆粒間相互作用力與強(qiáng)化換熱管結(jié)構(gòu)的耦合強(qiáng)化換熱機(jī)理；分析納米顆粒的微觀結(jié)構(gòu)對納米流體穩(wěn)定性和湍流流動與傳熱特性的影響，建立傳熱學(xué)與動力學(xué)特性的評價體系。該項目對于豐富納米流體強(qiáng)化換熱機(jī)理的研究、推動其應(yīng)用有重要意義。