周向非均匀热流边界条件下对流传热/传质协同原理和优化方法研究

Convective heat and mass transfer phenomena widely exist in high technology fields such as energy, metallurgy, aeronautical and space technologies, electronic industry and building energy-saving system and so on. In practical applications, not all the surfaces of heat and mass transfer exchanger are uniform heat flux boundary conditions, instead, non-unifrom heat flux boundary conditions exist in most circumstances. Literatures shows that this phenomenon usually leads to the performance of heat and mass transfer decreased. Therefore, more and moer people give the high attention to this phenomenon, and optimization for the performance of heat and the mass transfer in this boundary condition has an important significance to improve energy efficiency and reliability. In this program, we propose the important physical quantity entransy/mass product and influence mechanism on heat and mass transfer, and apply the extremum principle of entransy/mass product to opitimize the synergy degree between temperature field and velocity field/concentration field, which will establish a foundation for optimization for flow field/concentration field in heat and mass exchanger. Based on different optimization objects, we propose the minimum entransy/mass product and the minimum circumferential temperature difference as objective function, apply variational principle and derive the optimization equations that the optimal flow/concentration field should satisfy to minimize the entransy dissipation and circumferential temperature difference, solve the optimal velocity field/concentration field, then establish the optimization method of performance and reliability of heat and mass transfer exchanger with non-uniform heat flux boundary conditions.

对流传热/传质广泛存在于能源、冶金、航天航空、电子以及建筑节能等高新领域。在实际应用中，传热/传质设备表面并不全是表面均匀热流边界，而是广泛存在着周向非均匀热流边界条件。这一现象常会导致传热/传质性能下降，设备可靠性差，越来越受到人们的高度重视。因此，优化该热流边界条件下的传热/传质性能对提高能源效率和设备可靠性都具有重要意义。本项目提出周向非均匀热流边界条件下表征传递能力的物理量热量火积/质量积及其对热量/质量输运的影响机理，并采用热量火积/质量积耗散极值原理优化温度场与速度场/浓度场的协同程度，为研究传热传质设备内部流场/浓度场优化过程奠定理论基础。根据不同的优化目标提出以火积/质量积耗散最小和周向温差最小作为目标函数，采用变分原理，推导出满足目标函数取极值的控制方程，并用数值模拟求解得到最优速度场/浓度场，建立周向非均匀热流边界条件下提高对流传热/传质能力和设备可靠性的优化方法。

针对聚焦型太阳能热发电系统广泛存在非均匀热流边界条件导致的传热传质设备光热转换效率较低和可靠性差的问题，本项目开展了非均匀热流边界条件下聚焦太阳能集热设备的传热传质性能和可靠性优化方法的研究。明晰了周向非均匀热流边界条件下温度场（热流场）与速度场/浓度场之间的相互影响及其对于不同能量形式输运的影响机理，根据不同的优化目标确立了以流体计算域内周向温差最小和反应物转化率最高的目标函数、约束条件和决策变量，采用变分原理，推导出满足目标函数取极值的控制方程，采用数值模拟求解得到最优速度场/浓度场，建立了非均匀热流边界条件下提高对流传热/传质能力和设备可靠性的优化方法。重要结果和关键数据如下：1）针对槽式甲醇太阳能热化学反应器中的多孔介质催化剂布置，创新性提出非均匀孔隙率分布的概念，数值计算结果证明非均匀孔隙率分布可以提高反应物转化率。计算结果表明：出口孔隙率低于入口孔隙率；近加热壁面孔隙率低于远加热壁面孔隙率。当质量约束拉格朗日乘子E为40时，甲醇转化率由52.3%提高到72.3%；随着E的增加，对应平均孔隙率越小，所需催化剂质量越来越多，转化率提高的幅度越来越小。2）对非均匀热流边界条件塔式太阳能接收器传热管结构与扰流参数进行了研究。采用内部增加扰流件和改变吸热管外部结构的方法进行了结构和流场优化。采用HFCAL热流模型模拟实际非均匀太阳能辐射分布，ˈ采用渐缩管、渐扩管和直圆管作为吸热管改善周向温差，计算结果表明：采用渐缩管的周向温差最小，周向温差随扩张比的增大而减小，当扩张比为20/16时效果较好，温差减小10%。另外在渐缩管内插入扭曲片可进一步减小吸热管的周向温差，有效提高接收器可靠性。另外，本项目也考虑通过改变吸热管内部流场的方法来降低吸热管周向温差，采用扭曲片、螺旋线、双斜肋管、外肋片管等内部扰流件来改变流场，对扰流件几何与结构参数进行了研究分析，结果表明：扰流件可以在吸热管内部产生纵向涡，加强了非聚光区和聚光区内冷热流体的混合和扰动，从而降低了吸热管周向温差。其中扭曲片效果最好，具有最高的传热系数和最低的周向温差。综上，申请人围绕非均匀热流边界条件下传热传质协同原理与优化方法进行了系统而深入的探索，上述工作和研究成果对于该边界条件下传热传质设备性能以及设备可靠性的提高都具有重要意义，为研究该边界条件下传热传质设备内部流场/浓度场优化过程奠定理论基础。