吴丹[1]2015年在《以耦合辅助措施增强太阳池热性能实验和数值模拟研究》文中认为在化石能源面临着资源枯竭、污染严重双重压力的背景下,可再生能源的开发与利用成为能源可持续发展的重要途径之一,对我国缓解目前面临的能源危机有着重要意义。国家中长期科学和技术发展规划纲要(2006～2020年)将“可再生能源低成本规模化开发利用”作为能源领域的优先主题提出。太阳能作为一种清洁而又持久的可再生能源,对于节约常规能源、保护自然环境、减缓气候变化等,都具有极其重大的意义。以太阳能为主的可再生能源将是本世纪的主要能源,是人类未来能源的基石。太阳池是一种可以收集、储存太阳能,并作为低温热源对外供热的盐水池,具有普遍性、巨大性、长久性、无害性等优点。本论文以实验测量与数值模拟为主要手段,开展盐梯度太阳池集热系统的基础研究,探索利用改变太阳池结构、增设多孔介质材料、加盖层及太阳能集热器等多种方式,强化太阳池热性能。主要研究工作包括实验测量、数值模拟、太阳池能效分析叁大部分,具体工作如下：(1)本文的实验研究包括实验室内基础性实验和室外太阳池实验两部分。实验室内基础性实验主要包括：多孔介质基本参数测量、多孔介质蓄热特性实验、多孔介质降浊特性实验、太阳池运行环境气象参数测量实验、辐射透射率测量等基础性实验,该部分实验结果可作为太阳池实验及数值模拟的边界条件,实验规律可为太阳池性能优化提供指导,从而为下一步的太阳池实验与模拟工作打好基础。室外实验采用多种方式增强太阳池热特性的对比实验,建立2个表面积为2.4m×2.4m、深1.2m的小型盐水太阳池,实验对太阳池的温度、浊度分布进行了测量,通过对实验数据的非线性拟合构建了辐射透射率混合回归模型；通过分阶段性对比实验,研究了向太阳池底部添加多孔介质、在太阳池表面加透明塑料膜覆盖,以及辅助太阳能集热系统的方法,讨论了叁种方式对太阳池温度特性以及浊度的影响,探索强化太阳池热性能的途径。(2)数值模拟按照研究侧重点的不同分别采用一维数值模拟和二维数值模拟。一维数值模拟侧重于池内温度的变化、各部分热量损失分析以及多种强化措施下太阳池的热性能变化规律。二维数值模拟侧重于池内空间流场的分布规律,梯形壁面的二维传热规律分析,以及分界面的动态稳定性分析。一维模型基于实验数据建立了梯形盐梯度太阳池的热盐双扩散数学模型,以Matlab 7.0为平台,对表面积2.4x2.4m2、深1.2m的梯形盐水太阳池进行了一维数值模拟。模拟在充分考虑本地气候条件与太阳辐射的情况下,改进了池底反射模型,使辐射透射模拟结果更加合理；对现有散热模型加以改建,建立表面热损失、壁面热损失和土壤层热损失的详细模型,以此为边界条件研究太阳池的热性能与稳定性,对比表明计算值和实验值吻合较好；在此基础上,进行增强型太阳池的数值模拟研究。建立了多孔介质蓄热模型、太阳能集热器的热平衡方程及盖层模型,讨论各增强措施对太阳池热性能与稳定性的影响,并建立增强型太阳池一维预测模型,分析了增强型太阳池温度发展趋势。二维数值模拟建立了热盐双扩散数学模型,引入盐水密度、热源项、边界条件等自定义函数,对梯形太阳池进行了非稳态模拟研究。模拟以CFD商业软件Fluent13.0为平台,通过用户函数自定义(UDF)引入热源项、盐水密度函数、边界条件等,并利用自定义标量(UDS)构建盐度运输方程,建立了梯形太阳池的二维非稳态数学模型。将模拟结果分别与实验数据及文献中的模拟结果进行对比,从温度场和流场分布两个角度验证了模型的有效性,并进行了梯形池和矩形池在温度分布、散热损失、壁面温度等方面的对比。与一维模型相比,二维模型更着重于由双扩散对流、表面风速等现象对太阳池内部稳定带来的的影响及其引起的流型变化,分析了热盐双扩散条件下,梯形太阳池的内部温度场、流场的动态变化规律及分界面稳定特性。(3)太阳池效率分析包括能源效率分析与烟效率分析。以热力学第一定律和热力学第二定律为基础理论,结合能源效率与(?)效率的定义,对进、出太阳池各层的能源加以分析,建立梯形太阳池的能源效率与(?)效率表达式,进而分析梯形太阳池的能源效率与(?)效率。通过将梯形太阳池与矩形太阳池的比较,以及太阳池不同运行阶段的效率对比,分析太阳池能源利用效率。
张曦[2]2002年在《海水太阳池的实验和数值模拟研究》文中指出盐梯度太阳池(SGSP)作为兼集热和长期蓄热为一体的能量利用装置，是当前新能源应用领域一个活跃的课题。本文所提出的海水太阳池模型是对盐梯度太阳池的发展和创新，具有造价低廉、运行简便、实用性强的优点。 本文主要针对海水非对流型盐梯度太阳池，进行如下主要工作： 1．建立了海水太阳池的物理模型，重点进行可用太阳辐射能近似计算、太阳池内温度分布和盐梯度分布的理论计算、以及太阳池的热稳定性和能量平衡及效率的分析等； 2．完成了海水太阳池的建造、池水灌注、盐梯度保持等一系列实验工作，对太阳池进行了持续、简便的测量，得到了大量有关温度分布和盐浓度分布的数据； 3．应用有限差分法对太阳池内的瞬态行为进行模拟，研究各层厚度及取热速率等因素对温度场的影响，研究温度场的演变情况等； 4．讨论了盐水的辐射透射率对太阳池性能的影响，比较了叁种典型的太阳池辐射透射模型，并且分析辐射透射率对温度场分布的影响。 本文得到的主要结论包括理论模型、实验和数值模拟叁个方面，对于温度场和浓度场的分布、各典型参数的影响、辐射透射率的影响等重要问题均有相应结论。
潘洪坤[3]2005年在《海水太阳池辐射透射率与浊度的实验研究》文中研究说明盐梯度太阳池集收集和贮存太阳能于一体,可以作为低温热源为各种用途供热。本文针对非对流型海水太阳池主要做了如下工作: 1.完成了海水太阳池的建造、池水灌注等一系列实验工作,对太阳池温度及盐密度进行了持续、简便的测量,得到了大量的有关温度和盐密度实验的数据。 2.由于水浊度是影响太阳池热效率的主要因素之一,因此提高水的透明度能够增加太阳池的运行效率,本文采用药剂降浊和过滤降浊配合使用的方法对苦卤溶液进行降浊增效的实验研究。 3.通过实验室实验和对太阳池的实际测量,研究太阳池内苦卤密度和浊度的扩散规律。 4.本文也分析太阳池运行过程中影响浊度的因素,包括风雨等自然条件及藻类等微生物的影响。 5.对大连地区的太阳辐射和空气温度进行了一年的连续测量,并根据测量数据分别拟合出2004年大连的太阳辐射和空气温度的函数。 6.对降浊后的苦卤溶液在不同深度,不同浊度下的辐射透射率进行测量研究,并得出浊度在0-10ntu范围时辐射透射率的模型。 7.采用新的辐射透射率模型,应用有限差分法对—维模型下太阳池热性能进行数值模拟。 本文对苦卤溶液的降浊处理、密度和浊度的扩散以及辐射透射率模型进行了详细的研究,并用提出的新模型对太阳池进行了数值模拟。由于浊度和太阳辐射的差别很大,数值模拟的方法也很多,所提出的经验公式应在使用中进行进一步检验、校正和完善。
张红梅[4]2005年在《海水太阳池辐射透射及双扩散特性的实验及计算研究》文中研究表明海水太阳池是以海水和卤水为主体建造的太阳池,这是建造太阳池比较经济合理的方法。它可以用来收集和储存太阳能,为各种用热提供可靠的低温热源。相对于传统的太阳池具有原理简单、运行费用低及能源充足的优点,近年来引起了世界各国的广泛重视和研究。本文针对非对流型海水太阳池主要做了如下工作: 1.建立了海水太阳池的物理模型,分析了太阳池内的基本热平衡模型、双扩散模型和热稳定性模型。通过对上述模型的研究,文中探讨了太阳池内部稳定性条件和边界的变化规律。 2.建立了大连地区太阳辐射、大气温度和土壤温度函数模型。为结合本地区的实际情况进行太阳池的研究提供了依据。 3.浊度是影响太阳池热效率的主要因素之一,因而降低水的浊度即提高水的透明度能够增加太阳池的运行效率。本文采用药剂降浊和过滤降浊相结合的方法对苦卤溶液进行降浊增效的实验研究。 4.在实验室内进行了卤水原液和降浊处理的卤水的密度和浊度的扩散实验、雨水的自动澄清实验和泥沙澄清实验研究,为室外太阳池的运行和维护提供了依据。 5.完成了海水太阳池的建造、池水灌注等一系列实验工作,对太阳池的温度、浊度及盐密度进行了持续、简便的测量,得到了大量的关于温度、浊度和盐密度的实验数据。对太阳池进行了后期的维护工作,如密度和浊度的控制以及卤虫和藻类的消灭等等。 6.完成了大浊度辐射透射率的随深度变化的研究工作,扩大了浊度的研究范围。 7.完成了太阳池瞬态行为的一维和二维的数值模拟工作,分析了浊度和池底反射率等因素的影响。分析了Soret效应的影响,发现长期模拟中,此效应的影响是不容忽视的。 本文对海水太阳池进行了实验和数值模拟方面进行了详细的分析和研究,其结果可以为太阳池的实际运行提高参考。
葛少成[5]2005年在《太阳池辐射透射及热盐双扩散特性的实验和数值模拟研究》文中指出在能源短缺的今天,可再生能源的开发、利用已成为我国乃至全球的战略性措施。太阳能作为一种清洁而又持久的新能源,越来越受到人们的青睐。太阳池是一种收集和储存太阳能并作为热源用的盐水池,目前,太阳池的研究也是国际国内的热点课题之一。 论文主要包括以下几部分研究内容,一是进行太阳池辐射透射模型的研究,二是进行卤水太阳池的实验研究,叁是关于太阳池热盐双扩散的研究,叁者的研究都具有重要的意义。 辐射透射模型通常用辐射透射率来表示,太阳辐射在水中的透射率(进入水中的太阳辐射能经水体吸收后在某一深度处的剩余量与到达水面的太阳辐射能的比值)是影响太阳池热性能的重要因素。辐射透射率越高,太阳池的热性能才会越好。本文以不同水质作为研究对象,详细测试了不同浊度下的辐射透射率,测试结果同W.S.模型作了比较,证明了W.S.模型在低浊度并且没有池底反射时的适用性。对W.S.模型适用范围外的浊度与辐射透射率进行了测试,通过回归分析,得出较大浊度水质的辐射透射率模型,拓宽了W.S.模型的适用范围。由于W.S.模型以及本文的大浊度辐射透射模型是在没有池底反射的实验条件下经测试回归得出的,所以引入反射理论,总结出既考虑池底反射又考虑浊度的辐射透射模型,称之为改进的辐射透射模型。基于改进的辐射透射模型,通过数值模拟的手段,分析了水浊度和池底反射率对太阳池热性能的综合影响,同时较为全面地分析了太阳池非对流层最佳厚度以及稳态热效率的相关影响因素,为太阳池高效率运行提供了有意义的指导。 建造了面积为80m~2的卤水太阳池,以制盐的废弃液“老卤”灌注太阳池底层,以不同比率的卤水和海水逐层灌注太阳池的中部,用淡水冲洗水面,进行了太阳池蓄热的实验,测量了太阳池的密度、温度和浊度的分布。对卤水太阳池特有的问题,如浊度的特性、老卤的澄清化处理和卤虫的杀灭进行了实验,提出了卤水太阳池的灌注方式和维护措施。分析了卤水太阳池的可行性和经济性,研究表明卤水太阳池是一种成本低、用途广泛的太阳能集热和蓄热装置。 太阳池是一个典型的双扩散系统,由浓度梯度造成的正密度梯度有利于太阳池的稳定运行,而由温度梯度造成的负密度梯度却有害于其稳定运行。早期的太阳池热性能预测模型的应用大多是以太阳池的稳定为前提的,要求有准确的交界面位置,没有从本质上考虑热盐双扩散对太阳池性能的影响。针对这方面的不足,引出描述太阳池双扩散行为的湍流卷吸模型。该数值模型包含了水分蒸发、浊度和外界风流对太阳池双扩散系统的影响,是比较全面的。通过在实验和理论方面的分析,指出双扩散卷吸湍流模型优点
赵建华[6]2004年在《太阳能在水中辐射透射的实验研究与海水太阳池的数值模拟》文中研究说明盐梯度海水太阳池是一个具有收集和贮存太阳能双重功能，被誉为未来可以大规模和长时间贮存太阳能的最有应用前景的低温热源设备。相对于传统的燃料太阳池具有原理简单、运行费用低及能源充足的优点，近年来引起世界各国的广泛重视和研究。本论文针对海水非对流型盐梯度太阳池主要做了如下的工作： 1．建立了海水太阳池的物理模型，分析了太阳池内的基本热平衡模型，双对流扩散模型和湍流卷吸运动模型。通过对上述模型的研究，文中讨论了太阳池内部稳定性条件及边界的变化规律。 2．研究表明，水的浊度是影响太阳池热效率的主要因素之一，提高水的透明度能够增加太阳池的运行效率。文中对用过滤和药剂降低太阳池介质浊度的方法进行了实验研究。 3．设计及建造了测量水中太阳辐射透射率的装置。实验研究了超纯水、海水，淡水，降浊后的老卤溶液在不同浊度下的辐射透射率随深度变化的关系。并与W．S．模型进行了对比分析。 4．应用有限差分法和控制容积法对二维模型下太阳池的瞬态行为进行了数值模拟。分析了太阳池内部的温度、盐度分布情况，研究了池壁倾角、风及连续阴天对太阳池热性能的影响。 本文对水中太阳辐射透射率的实验研究及太阳池的数值模拟方面进行了详尽的分析，其结果可以为太阳池的实际运行提供参考。
苗晶玉[7]2017年在《双扩散对流对盐梯度太阳池热盐迁移规律的影响研究》文中指出在能源日益匮乏的大环境下,对新能源的利用自然而然的受到了广大学者们的关注。盐梯度太阳池作为一种新型的太阳能光热转换和利用系统,具有结构简单,造价低廉,环境友好无污染等一系列优点,具有广阔的发展前景,所以对盐梯度太阳池的研究是国内外太阳能新型利用方面热点研究课题之一。盐梯度太阳池是一个典型的热盐双扩散系统,其非对流层同时存在着温度梯度与盐度梯度,太阳池得以稳定运行的关键因素在于太阳池非对流层内同时存在的温度梯度与盐度梯度所引起的热盐扩散过程。本论文以稳定运行状态下的盐梯度太阳池的非对流层为研究对象,采用数值模拟与实验研究相结合的方法,对非对流层内的热盐迁移过程进行了分析与探讨。在数值模拟方面,建立了盐梯度太阳池非对流层的物理数学模型,定义其边界条件及初始条件,并验证了网格的独立性。通过数值模拟结果显示:太阳池在稳定状态下,非对流层内的温度与盐度均近似呈线性分布,且随着时间的变化不大;从速度矢量图中可以看出,在非对流层内存在微小尺度的环型扩散现象,即扩散成层;另外分析了非对流层内的质量流率,为太阳池梯度层的维护提供了借鉴。在实验研究方面,通过在室内搭建小型的试验台,对盐梯度太阳池的非对流层内的传热传质过程进行了实验探究。实验部分主要包括两层实验研究和多层(即太阳池非对流)实验研究两部分。通过对实验数据的处理与分析可得:当盐度差不变的情况下,温差的增大会加快流体内盐分的扩散速度,温差过大,则非对流层盐度梯度的破坏速度亦会加快;在实验过程中同样发现,当盐度梯度一定时,存在一个最大温度梯度,使得太阳池非对流层在不高于此温度梯度的情况下能够保持稳定状态;此外,对比数值模拟结果,在稳定状态,非对流层内同一时刻的温度与盐度分布曲线图趋势相同,且吻合度较高。本论文通过数值计算与实验分析两方面的研究发现,对太阳池非对流层热盐迁移规律的研究,为盐梯度太阳池的稳定运行及后期维护提供了参考依据和理论支撑。
王华[8]2008年在《海水—卤水太阳池热性能研究和梯度层动力稳定性分析》文中提出随着人口的激增和工业的迅速发展，能源短缺问题日益严重，太阳能是最理想的能源之一。盐梯度太阳池作为太阳能利用的一种形式，兼有对太阳辐射能的吸收和储存作用，不仅是当今传统能源的重要补充，更是未来太阳能应用的重要形式。本文以盐梯度太阳池为研究对象，从实验和理论两个方面进行分析。各部分主要工作及结论总结如下：建立了表面积2．8×2．3m~2深0．8m的实验太阳池，结合室内和室外小型实验，对实验太阳池的温度、盐度发展以及浊度分布进行了实验测定。第一次实验于2006年8月份开始，在运行后第17天达到最高温度45．7℃，与同类实验研究结果比较，本实验太阳池具有较好的升温效果。卤水的透光性较差，直接影响太阳池对太阳辐射的吸收。从两方面研究了卤水灌注太阳池的浊度变化：一是研究卤水降浊处理后，卤水中藻类的再滋生情况；另一方面比较了雨水分别降落到卤水和盐水太阳池中后池内浊度的变化。实验表明絮凝降浊对苦卤中藻类的生长有一定的抑制作用，雨水在卤水中的沉降速度明显低于在盐水中的沉降速度。为提高太阳池储热层温度，在一系列模拟实验结果的基础上，提出在太阳池底部添加锅炉渣的方法。从叁个方面进行研究：在模拟的小型太阳池中的一系列实验研究，结果表明，底部添加材料的多孔性有利于太阳池储热层温度升高，与鹅卵石等石材相比，锅炉渣的升温和保温作用更好。后来在实验太阳池内的实验也证明了这一点；采用一维模型模拟大面积太阳池添加锅炉渣床的温度发展，考虑多孔介质层的孔隙率和厚度对热性能的影响，结果表明孔隙率减小或厚度增加有利于储热层温度增高；最后在实验太阳池内进行了为期近一个月的实验。从太阳池提取热量并加以应用是建立太阳池的最终目的。本文利用实验太阳池加热淡水，进行了短期换热实验。在实验太阳池底部添加锅炉渣的基础上，于2007年8月份进行了提热实验。对一个容积为56L的淡水桶中的淡水加热，连续两天的提热实验结果表明，第一天水桶中的水温度最高达到38．4℃。理论方面，对于客观条件一定的太阳池给出最佳水箱容积的计算方法。盐梯度层是太阳池最重要的组成部分，太阳池的热性能主要取决于该层的稳定性。文章最后主要对梯度层的稳定性进行了分析。在线性稳定性分析的基础上，采用数值方法，得出梯度层的非线性动力稳定性的数值解。分析了太阳辐射吸收和提热量对于稳定性的影响以及二者的综合影响：当梯度层的盐水比较清澈时，提热量的大小对于临界稳定性Ra~c的大小影响较大，而池水比较浑浊时，提热量的大小对于稳定性的影响较小；盐梯度层的非线性稳定性问题不能够采用分析的方法求解，根据变步长四阶Runge-Kutta-Merson方法进行非线性稳定性分析，二维温度、盐度和速度场表明线性分析得到的临界稳定性瑞利数(Ra~c)能够很好地界定了系统的渐进稳定性状态。根据Nusselt数确定的临界稳定性瑞利数Ra~N略大于线性稳定性分析得到的临界瑞利数Ra~c，当盐瑞利数Rs在10~5和10~6数量级上，Ra~N与Ra~c的差距仅为1％左右。
王华, 孙文策, 潘洪坤[9]2008年在《小型海水太阳池实验及考虑浊度的温度分布模拟》文中研究表明建立了2.8 m×2.3 m×0.8 m小型太阳池,以卤水和溶解粗盐的海水灌注太阳池各层,进行了持续的池内温度和地表太阳辐射强度的测量.根据测定的气温和太阳辐射强度数据,考虑侧壁阴影部分对散射辐射的吸收,针对本太阳池进行了温度分布的逐时变化数值模拟.实验和计算结果表明,实验值和计算值吻合较好,保温性能较好的小型海水太阳池升温较快,适于在温度较高的月份用于供热.
曾东[10]2011年在《太阳池热性能和提热的数值模拟》文中研究表明本文主要以盐梯度太阳池为研究对象,对太阳池的热性能以及提热过程进行了数值模拟。太阳池中盐梯度层的存在是太阳池能够持续、稳定地吸收和储存太阳辐射能的根本保证,太阳池的热性能主要取决于该层的稳定性。本文考虑到Soret效应的影响,应用有限差分方法对太阳池内的盐扩散行为进行了分析,发现Soret效应对太阳池的盐梯度的维持有负面作用。根据大连地区的地理、气候条件,分别对斜壁太阳池内盐梯度层的温度分布和浓度分布进行了模拟分析,得到了热盐分布的年变化规律：温度梯度达到最大(最小)时,盐梯度层各深度处的盐浓度值是全年最小(最大),表明盐在池水中的扩散主要受到温度的影响。关于太阳池技术的实验和理论研究的最终目的,就是为了将太阳池收集到的太阳能提取出来应用到实际生活、生产中去。本文通过对热和质的通量输运微分方程的分析,建立了二维太阳池提热模型,综合考虑了湍流扩散效应和分子扩散效应的影响,以及浓度场、温度场和速度场的耦合作用,运用低雷诺数下的κ-ε模型,模拟了大连地区夏季和冬季提热过程的热盐分布变化,研究表明：在维持上、下对流层浓度恒定的条件下进行提热,有利于太阳池的稳定运行。
参考文献：
[1]. 以耦合辅助措施增强太阳池热性能实验和数值模拟研究[D]. 吴丹. 大连理工大学. 2015
[2]. 海水太阳池的实验和数值模拟研究[D]. 张曦. 大连理工大学. 2002
[3]. 海水太阳池辐射透射率与浊度的实验研究[D]. 潘洪坤. 大连理工大学. 2005
[4]. 海水太阳池辐射透射及双扩散特性的实验及计算研究[D]. 张红梅. 大连理工大学. 2005
[5]. 太阳池辐射透射及热盐双扩散特性的实验和数值模拟研究[D]. 葛少成. 大连理工大学. 2005
[6]. 太阳能在水中辐射透射的实验研究与海水太阳池的数值模拟[D]. 赵建华. 大连理工大学. 2004
[7]. 双扩散对流对盐梯度太阳池热盐迁移规律的影响研究[D]. 苗晶玉. 燕山大学. 2017
[8]. 海水—卤水太阳池热性能研究和梯度层动力稳定性分析[D]. 王华. 大连理工大学. 2008
[9]. 小型海水太阳池实验及考虑浊度的温度分布模拟[J]. 王华, 孙文策, 潘洪坤. 大连理工大学学报. 2008
[10]. 太阳池热性能和提热的数值模拟[D]. 曾东. 大连理工大学. 2011
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