固態(tài)儲熱裝置風場結構優(yōu)化

朱瑞，劉云亮，王佳典，馬興宇

（中國船舶集團有限公司 第七〇三研究所，哈爾濱 150078）

0 引言

在“2030年碳達峰、2060年碳中和”的國家愿景下，儲能的重要性和地位愈加凸顯。作為儲能技術的一個重要分支，儲熱市場亦將迎來更廣闊的發(fā)展空間。固態(tài)儲熱產品是一種新型的電儲熱系統(tǒng)，利用低谷電、棄風、棄光、棄水電能，將有效能源轉化為熱能儲存在固態(tài)儲熱材料中，并持續(xù)向采暖系統(tǒng)或熱水系統(tǒng)均衡釋放，是一種具備區(qū)域24 h連續(xù)供熱能力的新型熱源。既可以有效利用廉價的低谷電，大幅度降低運行費用，實現了削峰填谷，同時也能夠有效緩解新能源電力消納和調峰壓力，實現了低碳清潔環(huán)保供暖，符合國家和地區(qū)政策，是電能替代的中堅力量，未來發(fā)展前景廣闊。

風場是固態(tài)儲熱裝置流動和傳熱特性過程中必不可少的重要結構，采用傳統(tǒng)風場結構，裝置在放熱過程中，整個固態(tài)儲熱材料下端較上端熱風流動頻繁，導致出現固態(tài)儲熱材料層下端比上端降溫快的現象，裝置流動效果差及傳熱效率低，影響固態(tài)儲熱裝置儲熱材料整體利用效率和增加了運維成本。

借鑒汽車行業(yè)中對中冷器的性能分析及結構優(yōu)化，應用到固態(tài)儲熱裝置的風場結構優(yōu)化，亦可分析風場熱風流動及傳熱性能情況，進而提升裝置儲熱材料整體利用效率和降低運維成本。

針對以上情況，利用SolidWorks軟件建立風場的三維模型，應用ICEM軟件對模型簡化清理并進行網格劃分，再通過FLUENT軟件對固態(tài)儲能裝置氣體的風場不同尺寸形式進行模擬計算，并在仿真結果的基礎上對中固態(tài)儲能裝置氣體的流動和傳熱特性進行分析研究，同時與原風場模擬分析相比較，總結不同尺寸的風場對裝置內部溫度分布的影響，固態(tài)儲能裝置風場結構優(yōu)化是本文的主要研究方向。

1 初始模型建立

1.1 模型選擇

在ANSYS軟件中建立初始仿真計算模型，進行仿真初步模擬，試驗臺和蓄熱磚簡化模型如圖1、圖2所示。為了使優(yōu)化方案盡可能不對支架造成影響，保證進風口及底部邊不變，對a、b、c、d四邊進行優(yōu)化（進出風口處斜導風板隨a、b、c、d變化），將9個風道從上到下依次編號為1～9（如圖2），對各個風道中心線處的流速進行計算。

圖1 固態(tài)裝置簡圖

圖2 固態(tài)裝置簡化模型圖

1.2 湍流模型的選擇

湍流模型主要有SA模型、k-e模型、k-w模型和雷諾應力模型，而能夠很好地適用本裝置的只有k-e模型和雷諾應力模型。k-e模型廣泛地被應用到工程仿真計算中，它能夠很好地處理可壓縮和不可壓縮氣體的湍流仿真計算。模型中的修正系數通過大量試驗數據擬合而成，可以處理包括壓縮性、黏性加熱等多種物理現象。

2 結構仿真分析

2.1 原風場模擬分析

采用ANSYS FLUENT軟件進行數值設定。數值計算過程中，采用流量進口條件，無滑移邊界條件，蓄熱磚空腔壁面溫度為800 ℃，設定進口速度Uin分別為1.2、2.4、3.6、4.8 m/s，導風場壁面為絕熱無滑移邊界條件。采用表1原始參數。采用k-e 湍流模型對其進行數值計算。

表1 原始參數表

圖3 原固態(tài)裝置簡化模型圖

經過軟件仿真計算，圖4各風道中線處速度分布，給出了原風場的數值模擬結果，從表2 中可以看出，相同進口風速下，通道1和通道9下端較上端熱風流動頻繁，導致出現固態(tài)儲熱材料層下端比上端降溫快的現象，同時在風速為4.8 m/s時，最大差值為1.9875 m/s, 且裝置整體風道內風速遠低于進口風速。

表2 分析結果 m/s

圖4 速度分布云圖

可見風場結構對風速的影響極大，因此優(yōu)化的目標是提高風場1和2流速并盡量使各個風道流速接近。

2.2 針對原風場結構優(yōu)化模擬分析

設定與原風場模擬分析相同的ANSYS FLUENT軟件參數數值。對結構a、b數值進行表3的模擬分析，并與原結構(a=250 mm，b=200 mm)進行對比，并生成速度云圖（如圖5）和各風道中線處速度分布（如圖6），通過改變a邊長度，風道流速顯著增加，但是會使最下方風道的流速略微減??；減小b邊的長度可以使最上方風道的流速增加，但是同樣會使最下方風道的流速減小。需要注意的是，b邊的長度太小時，進入風道1下方風道的氣流會形成類似最上方風道的流量大大減小。

表3 變量參數表

圖5 a=0 mm，b=100 mm邊變化時的速度云圖

圖6 a=0 mm，b=100 mm邊變化時各風道中線處速度分布

如表4所示，在表3基礎上改變c、d邊的長度，圖7與圖8給出了c、d邊變化時的導風罩數值模擬結果。經過對比分析可以看出，c邊變化時，上方風道出口空間狹小，出口氣流摻混作用顯著增強，從而使上方風道氣流速度下降，d邊變化時的導風罩數值模擬結果。經過對比可以看出，增大d邊長度可以增大上方風道內空氣流速，減小下方風道內空氣流速。

圖7 c=250 mm，d=200 mm邊變化時的速度云圖

圖8 c=250 mm，d=200 mm邊變化時的各風道中線處速度分布

表4 變量參數表

3 試驗評估

針對原風場結構優(yōu)化模擬分析，總結風道內空氣流速變化特點：1）對于進風口處導流風場而言，減小a邊長度與減小b邊長度均可以相對提高上方風道內空氣流速，而下方風道內空氣流速會相對降低；2）對于出風口處導流風場而言，減少c邊長度與減小d邊長度均會使上方風道內空氣流速相對降低，下方風道內空氣流速相對提高；3）9號風道(即最下方風道)內空氣流速一直處于一個相對較低的水準。

在對上述四邊進行優(yōu)化時，可以顯著改變上方風道內流速的大小，而由于9號風道的進出口均離空氣的進出口較近，僅對a、b、c、d四邊進行優(yōu)化時，9號風道相對流速的變化較小。

經過對a、b、c、d尺寸的反復迭代及比對，最終確定a=0 mm，b=100 mm，c=250 mm，d=200 mm，底部邊長均為400 mm。

4 優(yōu)化方案試驗

進行與軟件模擬分析相同的實際試驗測試方案，同時在蓄熱體內設置溫度測點，實際采集5個區(qū)域的流道內平均空氣流速，分別記為V1～V5。

由表5可以看出，試驗測試風場進出風速在相同進口風速下，通道1和通道5上端和下端熱風流動均勻，在風速為4.8 m/s時，最大差值為0.2493 m/s,且整體風道風速與優(yōu)化方案軟件分析數據接近。

圖9 優(yōu)化方案試驗風場結構

表5 優(yōu)化后試驗數據表 m/s

5 結語

1）應用FLUENT流體分析軟件對固態(tài)儲能裝置風場結構進行數值模擬仿真。風場進、出口尺寸影響流動效果及傳熱效率。結合實際應用條件，可通過改變裝置風場結構，形成針對性強的優(yōu)化方案。

2）通過試驗裝置對優(yōu)化設計的風場結構進行驗證試驗。結果表明，所采用的仿真計算方法精確度較高，在固態(tài)儲能裝置設計中具有較高的應用價值。