高温固液相变蓄热器的结构设计和数值模拟

高温固液相变蓄热器可以与碱金属热电直接转换技术相结合构成蓄热式热电直接转换装置，它可用于水下潜器和航天器上作为动力源使用。因此本装置对水下作业平台、水下安静型潜器和航天飞行器的动力技术发展具有重要的意义。 伴有相变的热传导问题广泛地存在于实际工程中，如铸造过程中液态金属凝固成铸件、注塑成型加工中的高温塑料熔体冷却固化成制件、焊接中焊条的熔化固结、以及水固化成冰等。其特点是固-液两态的相界面位置未知且移动并在相界面处伴有相变潜热的释放、吸收，这类问题又称为移动边界问题． 蓄热器研究的核心问题是PCM容器内伴随有固液相变的吸放热过程。由于相变过程中固液位置不断移动，使得相变问题具有非线性的特征。除了少数简单的情况外，很难得到该类问题的精确解。对于稍复杂的情况，一般说来只能采用数值解法求解。 高温固液相变蓄热器是蓄热式热电直接转换装置的重要部分，其传热性能会直接影响到整个装置的功能。本文首先根据要达到的指标要求对高温固液相变蓄热器进行了结构设计，选择了氟化锂相变材料。然后基于焓方法，建立了高温固液相变蓄热器的共轭传热数学模型并进行数值计算，通过热分析得到了蓄热器内部详细温度分布、热流密度分布、相变界面移动规律、PCM容器的最高温度和最大温差、熔-固时间周期、PCM熔化份额在一个周期内的变化，了解了储热介质的物理性质与外界边界条件对储释热过程的影响，掌握了固液界面运动变化规律，藉以确定储能介质的数量和相变过程所需要的总时间等设计参数；同时对三种不同加热方式进行性能比较和分析得出了比较符合实际应用、经济可行的结构设计方案和最佳运行工况。在热分析的基础上进行了热应力分析，强度校核证明了高温固液相变蓄热器(主要是PCM容器壁和外壳)设计是合理安全的、有足够稳定性。同时通过计算分析的结果找出了可能出现裂纹的原因、部位，提出改进意见，从而为产品的设计改进提供了可靠的依据，在工程运用中具有 哈尔滨工程大学硕士学位论文 ................ 重大参考价值。 最后为了考察自然对流对固一液相变换热过程的影响，通过两种处理 方法(l)等效热容法处理相变潜热(2)变粘性系数处理固液粘性，建立 了基于修正等效热容法考虑自然对流的高温固液相变蓄热器共扼求解数 学模型，从而可以对固一液相PCM及肋壁、加热器、绝缘材料、外壳进行 整体统一求解.为了解决流场计算不合理的压力场的问题，采用了交错网 格方法，用幂函格式对通用方程进行离散，并用ADI和TD以相结合的方 法对代数方程求解;最后采用了收敛特性较优的SIMPLER算法求解了不可 压缩流体的流场问题，这套算法较大地提高了迭代收敛速度。求解结果与 烩法模型进行了比较，指出了自然对流对PCM固液相变换热过程的影响和 纯导热模型与自然对流模型换热规律的不同之处(温度分布、熔化固化过 程进行的方向、温度和速度随半径变化的曲线)。 关键词:高温固液相变蓄热器;烩法;等效热容法; 少