多孔介質(zhì)輔助平板式太陽(yáng)能集熱器熱性能 強(qiáng)化的數(shù)值仿真研究

成祖德，林新偉，夏永放，王海濤，馮軍勝

(安徽建筑大學(xué)環(huán)境與能源工程學(xué)院，合肥 230005)

0 引言

太陽(yáng)能是地球上最清潔的可再生能源，平板式太陽(yáng)能集熱器(FPSC)作為最流行的太陽(yáng)能熱利用技術(shù)之一，因其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、經(jīng)濟(jì)性好得到了廣泛應(yīng)用。然而，平板式太陽(yáng)能集熱器存在能效低、熱損失大等問(wèn)題。因此為了提高平板式太陽(yáng)能集熱器換熱通道的熱性能，研究人員付出了諸多努力，采用許多手段對(duì)其換熱通道的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)[1-3]，其中就包括在換熱通道中插入惰性多孔介質(zhì)基體材料來(lái)強(qiáng)化平板式太陽(yáng)能集熱器的熱性能。

杲東彥等[4]對(duì)泡沫鋁內(nèi)石蠟的融化相變過(guò)程進(jìn)行了可視化實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：填充泡沫金屬可有效降低換熱通道的導(dǎo)熱熱阻，并可以強(qiáng)化換熱通道的相變傳熱。翟桂珍等[5]通過(guò)建立二維瞬態(tài)非局部熱平衡能量雙方程模型，研究了泡沫金屬平板式太陽(yáng)能集熱器的傳熱性能。研究結(jié)果表明：在該類太陽(yáng)能集熱器排管內(nèi)填充泡沫金屬能顯著增強(qiáng)排管內(nèi)的傳熱，隨著泡沫金屬塊高度的增加和孔隙率的減小，排管內(nèi)的努塞爾數(shù)增大，同時(shí)其壓降也會(huì)增大。朱婧婧等[6]研究了紡織基多孔填充結(jié)構(gòu)對(duì)太陽(yáng)能空氣集熱器集熱性能的影響，研究結(jié)果表明：當(dāng)該類太陽(yáng)能集熱器換熱通道內(nèi)采用雙層紡織基多孔填充結(jié)構(gòu)進(jìn)行填充時(shí)，換熱通道的集熱性能優(yōu)于同條件下單層結(jié)構(gòu)的集熱器，集熱效率可達(dá)64%。Jouybari等[7-8]采用試驗(yàn)及數(shù)值模擬手段研究了全填充多孔介質(zhì)的平板式太陽(yáng)能集熱器換熱通道的換熱與壓力損失特性，研究結(jié)果表明：在低雷諾數(shù)工況下，平板式太陽(yáng)能集熱器的換熱性能可提高18.5%。

此外，太陽(yáng)輻射強(qiáng)度及多孔介質(zhì)的孔隙率對(duì)平板式太陽(yáng)能集熱器換熱通道換熱性能的影響也很顯著。Saedodin等[9]研究了全填充多孔金屬泡沫的平板式太陽(yáng)能集熱器換熱通道的換熱性能，與無(wú)填充平板式太陽(yáng)能集熱器空換熱通道的換熱性能相比，全填充多孔金屬泡沫換熱通道的集熱效率和努塞爾數(shù)分別提高了18.5%和82.0%。另外，考慮到平板式太陽(yáng)能集熱器換熱通道內(nèi)全填充多孔介質(zhì)材料會(huì)導(dǎo)致通道阻力明顯增加，Anirudh等[10]通過(guò)數(shù)值仿真研究了平板式太陽(yáng)能集熱器換熱通道內(nèi)部分填充多孔金屬泡沫塊時(shí)通道內(nèi)的換熱性能，研究結(jié)果表明：多孔金屬泡沫塊的數(shù)量或高度增加，均可顯著強(qiáng)化平板式太陽(yáng)能集熱器換熱通道內(nèi)的換熱性能。

然而當(dāng)多孔介質(zhì)區(qū)域總長(zhǎng)度一定時(shí)，插入的多孔介質(zhì)塊的形狀、布置數(shù)量及滲透率等參數(shù)對(duì)平板式太陽(yáng)能集熱器(下文簡(jiǎn)稱此類集熱器為“多孔介質(zhì)輔助平板式太陽(yáng)能集熱器”)熱性能的影響尚未有文獻(xiàn)報(bào)道?；诖?，本文采用數(shù)值仿真手段，建立平板式太陽(yáng)能集熱器的二維數(shù)值仿真模型，研究了插入的多孔介質(zhì)塊的形狀、布置數(shù)量及滲透率等參數(shù)對(duì)平板式太陽(yáng)能集熱器的傳熱性能及阻力損失的影響規(guī)律；綜合考慮影響集熱器傳熱性能及阻力損失的因素，獲得多孔介質(zhì)輔助平板式太陽(yáng)能集熱器最佳的性能評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)(PEC)。研究結(jié)果可為多孔介質(zhì)輔助平板式太陽(yáng)能集熱器的設(shè)計(jì)提供參考依據(jù)。

1 數(shù)學(xué)模型

1.1 模型構(gòu)建及假設(shè)

本研究的平板式太陽(yáng)能集熱器的尺寸基于文獻(xiàn)[9]的實(shí)驗(yàn)裝置構(gòu)建，其中換熱通道的尺寸設(shè)置為：高度H為13 mm、長(zhǎng)度L為800 mm。忽略集熱器玻璃蓋板和吸收板的厚度及光學(xué)特性，假設(shè)全波長(zhǎng)太陽(yáng)輻射強(qiáng)度為均勻分布，吸收板上吸收的太陽(yáng)輻射量當(dāng)量(qw=800 W/m2)為壁面常熱流密度。集熱器換熱通道內(nèi)的流體為水(普朗特?cái)?shù)Pr=7)，入口流量為1.5 L/min，流體以均勻速度ui和溫度Ti進(jìn)入集熱器內(nèi)，流動(dòng)狀態(tài)為層流狀態(tài)，仿真計(jì)算時(shí)假定流體為不可壓縮且忽略粘性耗散。

本研究中，多孔介質(zhì)區(qū)域的總長(zhǎng)度Lp設(shè)定為360 mm，多孔介質(zhì)塊的形狀設(shè)定為4種，分別為矩形(REC)、坡度為6h/l(其中，l為1個(gè)多孔介質(zhì)塊的長(zhǎng)度，h為1個(gè)多孔介質(zhì)塊的高度，h=0.6H)的梯形(TRA1)、坡度為3h/l的梯形(TRA2)、三角形(TRI)。研究中，插入多孔介質(zhì)塊的數(shù)量N不同。插入多孔介質(zhì)的平板式太陽(yáng)能集熱器的二維數(shù)值仿真模型示意圖如圖1所示，圖中：s為兩塊多孔介質(zhì)塊之間的間距；X軸為換熱通道的長(zhǎng)度；Y軸為換熱通道的高度。

圖1 插入多孔介質(zhì)的平板式太陽(yáng)能集熱器的 二維數(shù)值仿真模型示意圖Fig. 1 Schematic diagram of 2D numerical simulation model of FPSC with inserted porous media

多孔介質(zhì)材料為氧化鋁(Al2O3)材料，孔隙分布均勻且各向同性，其熱物理性能參數(shù)如表1所示。表中：ρp為多孔介質(zhì)材料的密度；λp為多孔介質(zhì)材料的導(dǎo)熱系數(shù)；cp為多孔介質(zhì)材料的比熱容；ε為多孔介質(zhì)材料的孔隙率。

表1 多孔介質(zhì)材料的熱物理性能參數(shù)Table 1 Thermo-physical performance parameters of porous media material

1.2 控制方程

基于以上假設(shè)，在多孔介質(zhì)輔助平板式太陽(yáng)能集熱器內(nèi)，考慮到由于多孔介質(zhì)內(nèi)多孔基體導(dǎo)致的流體粘性及慣性效應(yīng)的影響，動(dòng)量方程中耗散項(xiàng)使用擴(kuò)展Darcy-Brinkman-Forchheimer模型[11]，多孔介質(zhì)區(qū)域內(nèi)的固—液傳熱使用局部熱平衡模型。多孔介質(zhì)區(qū)域內(nèi)的流動(dòng)與傳熱數(shù)學(xué)控制方程組如下所示。

連續(xù)性方程為：

式中：u、v分別為空間直角坐標(biāo)系x、y方向的速度分量。

動(dòng)量方程為：

其中：

利用Carman-Kozeny公式，可得到多孔介質(zhì)塊的孔隙率與其滲透率之間的關(guān)系為：

式中：d為孔徑。

能量方程為：

式中：T為多孔介質(zhì)區(qū)域的溫度；α為多孔介質(zhì)區(qū)域的熱擴(kuò)散率。

1.3 邊界條件

本研究數(shù)值仿真計(jì)算的邊界條件設(shè)置如下：

1)入口條件為：

2)出口條件為：

3)假定集熱器換熱通道底部絕熱壁面為無(wú)滑移邊界條件，即：

4)集熱器換熱通道頂部會(huì)受到太陽(yáng)輻射，太陽(yáng)輻射強(qiáng)度均勻分布在蓋板壁面，蓋板為無(wú)滑移邊界條件，即：

式中：λeff為有效導(dǎo)熱系數(shù)。

1.4 控制參數(shù)

集熱器換熱通道內(nèi)的流動(dòng)摩擦系數(shù)fm的計(jì)算表達(dá)式為：

努塞爾數(shù)Nu的計(jì)算表達(dá)式為：

式中：h1為對(duì)流換熱系數(shù)；λ為流體的導(dǎo)熱系數(shù)；Tw為壁面的溫度；Tm為流體的體積平均溫度。

其中，流體體積平均溫度的計(jì)算表達(dá)式為：

各個(gè)多孔介質(zhì)塊及下方流體區(qū)域的平均努塞爾數(shù)Numi的計(jì)算表達(dá)式為：

式中：xi為多孔介質(zhì)塊的入口位置。

集熱器換熱通道內(nèi)全部多孔介質(zhì)塊及下方流體區(qū)域(即換熱通道整體)的平均努塞爾數(shù)Nug的計(jì)算公式為：

式中：N為多孔介質(zhì)塊的數(shù)量。

2 結(jié)果和討論

2.1 集熱器換熱通道內(nèi)的流動(dòng)與傳熱特性

平板式太陽(yáng)能集熱器換熱通道內(nèi)插入的多孔介質(zhì)塊形狀為REC、Da=10-4時(shí)，不同多孔介質(zhì)塊布置數(shù)量條件下集熱器換熱通道內(nèi)的流動(dòng)特征如圖2所示。

圖2 形狀為REC、Da=10-4的多孔介質(zhì)塊不同數(shù)量條件下集熱器換熱通道內(nèi)的流動(dòng)特征Fig. 2 Flow characteristics in the heat exchange channel of collector under different inserting number conditions of REC porous media blocks at Da=10-4

由圖2可以看出：插入多孔介質(zhì)塊后，導(dǎo)致集熱器換熱通道內(nèi)流動(dòng)發(fā)生擾動(dòng)，且每個(gè)多孔介質(zhì)塊背部附近區(qū)域均出現(xiàn)了渦區(qū)；隨著多孔介質(zhì)塊布置數(shù)量的減少，渦區(qū)數(shù)量對(duì)應(yīng)減少；未布置多孔介質(zhì)塊的空通道內(nèi)無(wú)渦區(qū)存在。這是因?yàn)榧療崞鲹Q熱通道內(nèi)插入多孔介質(zhì)塊會(huì)增加通道內(nèi)的流動(dòng)阻力，當(dāng)入口流量一定時(shí)，通道內(nèi)流體會(huì)沿著阻力較小的路徑流動(dòng)，因此，受多孔介質(zhì)塊阻力影響，大部分流體沿著多孔介質(zhì)塊外壁面流動(dòng)，從而在多孔介質(zhì)塊背部附近區(qū)域產(chǎn)生渦區(qū)。

形狀為REC、Da=10-4的多孔介質(zhì)塊不同數(shù)量條件下集熱器換熱通道內(nèi)的溫度分布特征如圖3所示。圖中標(biāo)注的數(shù)值為換熱通道內(nèi)的溫度。

圖3 形狀為REC、Da=10-4的多孔介質(zhì)塊不同數(shù)量條件下集熱器換熱通道內(nèi)的溫度分布特征Fig. 3 Temperature field characteristics in the heat exchange channel of collector under different inserting number conditions of REC porous media blocks at Da=10-4

由圖3可以看出：多孔介質(zhì)塊背部附近區(qū)域產(chǎn)生的渦區(qū)促使換熱通道內(nèi)的流動(dòng)混合加強(qiáng)，從而使集熱吸收板附近區(qū)域的邊界層變薄，傳熱阻力降低，強(qiáng)化了通道內(nèi)的對(duì)流換熱。因此，在平板式太陽(yáng)能集熱器換熱通道內(nèi)多孔介質(zhì)塊布置數(shù)量為6塊的工況下，通道出口的平均溫度最高。

平板式太陽(yáng)能集熱器換熱通道內(nèi)插入的多孔介質(zhì)塊布置數(shù)量為4塊、Da=10-4時(shí)，不同多孔介質(zhì)塊形狀條件下集熱器換熱通道內(nèi)的流動(dòng)特征如圖4所示。

圖4 布置數(shù)量為4塊、Da=10-4的多孔介質(zhì)塊不同形狀 條件下集熱器換熱通道內(nèi)的流動(dòng)特征Fig. 4 Flow characteristics in the heat exchange channel of collector under different shape conditions of porous media blocks at N=4，Da=10-4

由圖4可以看出：與TRI多孔介質(zhì)塊和兩種TRA多孔介質(zhì)塊相比，在REC多孔介質(zhì)塊的背部附近區(qū)域更容易出現(xiàn)渦區(qū)；對(duì)比不同形狀的多孔介質(zhì)塊結(jié)構(gòu)，TRA1多孔介質(zhì)塊的背部附近區(qū)域渦區(qū)減小，TRA2多孔介質(zhì)塊與TRI多孔介質(zhì)塊背部附近區(qū)域無(wú)渦區(qū)產(chǎn)生。這是因?yàn)楫?dāng)多孔介質(zhì)塊的數(shù)量和滲透率一定時(shí)，多孔介質(zhì)塊體積越大，流動(dòng)阻力越大，其背部附近區(qū)域流場(chǎng)干擾越大，因此，REC多孔介質(zhì)塊背部附近區(qū)域更容易出現(xiàn)較大渦區(qū)，TRI多孔介質(zhì)塊背部附近區(qū)域不易出現(xiàn)渦區(qū)且阻力損失小。

布置數(shù)量為4塊、Da=10-4的多孔介質(zhì)塊不同形狀條件下集熱器換熱通道內(nèi)的溫度分布特征如圖5所示。圖中標(biāo)注的數(shù)值為換熱通道內(nèi)的溫度。

圖5 布置數(shù)量為4塊、Da=10-4的多孔介質(zhì)塊不同形狀 條件下集熱器換熱通道內(nèi)的溫度分布特征Fig. 5 Temperature field characteristics in the heat exchange channel of collector under different shape conditions of porous media blocks at N=4，Da=10-4

由圖5可以看出：與兩種TRA多孔介質(zhì)塊和TRI多孔介質(zhì)塊相比，REC多孔介質(zhì)塊更容易在背部附近區(qū)域出現(xiàn)渦區(qū)，從而如上述強(qiáng)化換熱通道內(nèi)的對(duì)流換熱，且REC多孔介質(zhì)塊的體積最大，流經(jīng)REC多孔介質(zhì)區(qū)域的流體多，REC多孔介質(zhì)塊內(nèi)部熱交換能力強(qiáng)。因此，在平板式太陽(yáng)能集熱器換熱通道內(nèi)為REC多孔介質(zhì)塊工況下，通道出口的平均溫度最高。

平板式太陽(yáng)能集熱器換熱通道內(nèi)插入的多孔介質(zhì)塊形狀為REC、數(shù)量為6塊時(shí)，不同多孔介質(zhì)塊達(dá)西數(shù)條件下集熱器換熱通道內(nèi)的流動(dòng)特征如圖6所示。

圖6 形狀為REC、數(shù)量為6塊的多孔介質(zhì)塊不同 達(dá)西數(shù)條件下集熱器換熱通道內(nèi)的流動(dòng)特征Fig. 6 Flow characteristics in the heat exchange channel of collector under different Darcy numbers of REC porous media blocks at N=6

由圖6可以看出：多孔介質(zhì)塊滲透率的變化對(duì)平板式太陽(yáng)能集熱器換熱通道內(nèi)流動(dòng)特征的影響顯著。對(duì)于Da=10-2、Da=10-3的多孔介質(zhì)塊，其背部附近區(qū)域無(wú)渦區(qū)出現(xiàn)；當(dāng)多孔介質(zhì)塊達(dá)西數(shù)降低至10-4時(shí)，多孔介質(zhì)塊背部附近區(qū)域出現(xiàn)渦區(qū)；進(jìn)一步降低多孔介質(zhì)塊達(dá)西數(shù)至10-5，集熱器換熱通道內(nèi)流動(dòng)擾動(dòng)加強(qiáng)，多孔介質(zhì)塊背部附近區(qū)域出現(xiàn)的渦區(qū)增大。這是因?yàn)楫?dāng)多孔介質(zhì)塊形狀和數(shù)量一定時(shí)，多孔介質(zhì)塊的滲透率小，內(nèi)部流動(dòng)阻力大，大多數(shù)流體繞過(guò)多孔介質(zhì)塊流動(dòng)，導(dǎo)致多孔介質(zhì)塊外部區(qū)域壓力大，背部區(qū)域壓力小。因此，低滲透率多孔介質(zhì)塊工況會(huì)產(chǎn)生顯著的壓力分布不均，會(huì)導(dǎo)致多孔介質(zhì)塊背部附近區(qū)域產(chǎn)生渦區(qū)。

形狀為REC、數(shù)量為6塊的多孔介質(zhì)塊不同形狀條件下集熱器換熱通道內(nèi)的溫度分布特征如圖7所示。圖中標(biāo)注的數(shù)值為換熱通道內(nèi)的溫度。

由圖7可以看出：與低滲透率多孔介質(zhì)塊相比，流經(jīng)高滲透率多孔介質(zhì)塊內(nèi)部區(qū)域的流體更多，多孔介質(zhì)塊內(nèi)部熱交換能力更強(qiáng)，從而強(qiáng)化了平板式太陽(yáng)能集熱器換熱通道內(nèi)對(duì)流換熱性能。因此，在平板式太陽(yáng)能集熱器換熱通道內(nèi)插入高滲透率(Da=10-2)的多孔介質(zhì)塊工況下，通道出口的平均溫度最高。

圖7 形狀為REC、數(shù)量為6塊的多孔介質(zhì)塊不同達(dá)西數(shù)條件下集熱器換熱通道內(nèi)的溫度分布特征Fig. 7 Temperature field characteristics in the heat exchange channel of collector under different Darcy numbers of REC porous media blocks at N=6

2.2 換熱通道整體的平均努塞爾數(shù)的變化

為了進(jìn)一步分析多孔介質(zhì)輔助平板式太陽(yáng)能集熱器換熱通道內(nèi)的傳熱規(guī)律，研究了不同多孔介質(zhì)塊形狀、布置數(shù)量及達(dá)西數(shù)條件下集熱器換熱通道整體的平均努塞爾數(shù)的變化規(guī)律，具體如圖8所示。

由圖8可知：當(dāng)多孔介質(zhì)塊布置數(shù)量相同時(shí)，換熱通道整體平均努塞爾數(shù)隨著多孔介質(zhì)塊的形狀由TRI—TRA2—TRA1—REC變化而逐漸增大。由此表明，在多孔介質(zhì)塊布置數(shù)量相同時(shí)，平板式太陽(yáng)能集熱器換熱通道內(nèi)插入REC多孔介質(zhì)塊時(shí)的傳熱性能最好。

圖8 換熱通道整體平均努塞爾數(shù)隨多孔介質(zhì)塊的形狀、布置數(shù)量和達(dá)西數(shù)變化的曲線規(guī)律Fig. 8 Variations of average Nusselt number in the whole heat exchange channel with shape，inserting number，and Darcy number of porous media blocks

另外，從圖中還可以看出：隨著集熱器換熱通道內(nèi)布置的多孔介質(zhì)塊布置數(shù)量的增加，平板

式太陽(yáng)能集熱器的傳熱性能增強(qiáng)。由于流體在多孔介質(zhì)塊內(nèi)的滲透，傳熱速率隨著多孔介質(zhì)塊滲透率的增加而增加。

由此可以發(fā)現(xiàn)：REC多孔介質(zhì)塊布置數(shù)量為6塊、Da=10-2的工況下，換熱通道內(nèi)的傳熱性能最強(qiáng)，此時(shí)換熱通道整體平均努塞爾數(shù)的最大值可達(dá)到6.01，與未布置多孔介質(zhì)塊的空換熱通道相比，傳熱速率提高了101%。

換熱通道中流體流過(guò)多孔介質(zhì)區(qū)域進(jìn)行傳熱時(shí)，4種多孔介質(zhì)塊形狀的多孔介質(zhì)區(qū)域總長(zhǎng)度均相同，在同一達(dá)西數(shù)下，孔徑和孔隙率固定，多孔介質(zhì)塊形狀發(fā)生改變時(shí)，REC多孔介質(zhì)塊內(nèi)部傳熱總接觸面積比TRI多孔介質(zhì)塊和TRA多孔介質(zhì)塊的總接觸面積大，因此，REC多孔介質(zhì)塊的傳熱系數(shù)高，從而表現(xiàn)出更大的熱交換能力。此外，隨著多孔介質(zhì)塊布置數(shù)量的增加，流動(dòng)擾動(dòng)會(huì)愈加明顯，促使流動(dòng)熱混合劇烈，平板式太陽(yáng)能集熱器換熱通道內(nèi)傳熱性能得到強(qiáng)化。同時(shí)，隨著多孔介質(zhì)塊達(dá)西數(shù)的增大，多孔介質(zhì)塊的滲透率增大。由式(6)可知，孔徑固定時(shí)，多孔介質(zhì)塊的孔隙率也隨之增大。因此，在高滲透率條件下，多孔介質(zhì)塊的孔密度(PPI)越大，多孔介質(zhì)塊內(nèi)部發(fā)生固—液傳熱的表面積越大且流體滲透進(jìn)多孔介質(zhì)塊的流量越多，從而強(qiáng)化了多孔介質(zhì)塊內(nèi)部的傳熱特征。

2.3 摩擦系數(shù)的變化

平板式太陽(yáng)能集熱器換熱通道內(nèi)插入多孔介質(zhì)塊會(huì)明顯改善其傳熱性能，但通道內(nèi)熱耗散效應(yīng)增強(qiáng)，表現(xiàn)出更大的阻力損失，因此，有必要對(duì)多孔介質(zhì)輔助平板式太陽(yáng)能集熱器換熱通道的阻力損失特性進(jìn)行詳細(xì)分析。

平板式太陽(yáng)能集熱器換熱通道內(nèi)摩擦系數(shù)隨多孔介質(zhì)塊的形狀、布置數(shù)量和達(dá)西數(shù)的變化規(guī)律如圖9所示。

圖9 摩擦系數(shù)隨多孔介質(zhì)塊的形狀、布置數(shù)量和 達(dá)西數(shù)變化的曲線規(guī)律Fig. 9 Variations of friction coefficient with the shape，inserting number，and Darcy number of porous media blocks

從圖9可以看出：插入多孔介質(zhì)塊的形狀為REC時(shí)，集熱器換熱通道內(nèi)的摩擦系數(shù)最大；插入多孔介質(zhì)塊形狀為TRA、TRI時(shí)，換熱通道內(nèi)的摩擦系數(shù)降低。在所有工況中，插入多孔介質(zhì)塊布置數(shù)量為4塊時(shí)，換熱通道內(nèi)的摩擦系數(shù)均為最大，其中插入多孔介質(zhì)塊的形狀為REC、Da=10-5時(shí)，換熱通道內(nèi)的摩擦系數(shù)可達(dá)8.66，是未布置多孔介質(zhì)塊的空換熱通道內(nèi)摩擦系數(shù)的8.5倍。多孔介質(zhì)塊的達(dá)西數(shù)高(Da=10-2)時(shí)，平板式太陽(yáng)能集熱器換熱通道內(nèi)的摩擦系數(shù)較小，熱耗散效應(yīng)減弱，伴隨的通道阻力損失減少。在所有工況中，TRI多孔介質(zhì)塊布置數(shù)量為6塊、Da=10-2條件下，換熱通道內(nèi)的摩擦系數(shù)最低，為1.83，是未布置多孔介質(zhì)塊的空換熱通道內(nèi)摩擦系數(shù)的1.8倍。因此，在空換熱通道中插入多孔介質(zhì)都會(huì)伴隨著摩擦阻力損失的增加。

換熱通道中流體流經(jīng)多孔介質(zhì)區(qū)域會(huì)伴隨著阻力損失，當(dāng)4種多孔介質(zhì)塊形狀的多孔介質(zhì)區(qū)域總長(zhǎng)度均相同時(shí)，REC多孔介質(zhì)塊內(nèi)部區(qū)域面積比TRI多孔介質(zhì)塊和兩種TRA多孔介質(zhì)塊內(nèi)部區(qū)域面積大，因此，流體流經(jīng)REC多孔介質(zhì)塊內(nèi)部時(shí)會(huì)產(chǎn)生更多的阻力損失。此外，隨著多孔介質(zhì)塊布置數(shù)量從2塊增加至4塊，流動(dòng)擾動(dòng)會(huì)愈加明顯，從而導(dǎo)致流動(dòng)阻力損失增加。而不滲透進(jìn)多孔介質(zhì)塊的流體在多孔介質(zhì)塊附近會(huì)有較小的流動(dòng)區(qū)域，在多孔介質(zhì)塊布置數(shù)量繼續(xù)增加至6塊時(shí)會(huì)破壞連續(xù)流體力學(xué)層形成，從而降低了換熱通道內(nèi)粘性阻力損失。同時(shí)，隨著多孔介質(zhì)塊達(dá)西數(shù)的增大，多孔介質(zhì)區(qū)域內(nèi)部產(chǎn)生的阻力損失也會(huì)減少。

2.4 性能評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)

與傳統(tǒng)平板式太陽(yáng)能集熱器的空換熱通道的熱性能相比，多孔介質(zhì)輔助平板式太陽(yáng)能集熱器換熱通道可強(qiáng)化換熱，但伴隨著通道阻力損失增大，導(dǎo)致系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)流體泵能耗增加的代價(jià)?？紤]平板式太陽(yáng)能集熱器換熱通道強(qiáng)化傳熱與壓力損失之間的平衡關(guān)系，采用性能評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)對(duì)多孔介質(zhì)輔助平板式太陽(yáng)能集熱器換熱通道熱性能強(qiáng)化進(jìn)行綜合分析[9]。

性能評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)CPE的表達(dá)式為：

式中：n為多孔介質(zhì)塊數(shù)量的具體數(shù)字。

平板式太陽(yáng)能集熱器換熱通道內(nèi)多孔介質(zhì)塊的形狀、布置數(shù)量和達(dá)西數(shù)的變化對(duì)性能評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)的影響規(guī)律如圖10所示。

由圖10可以看出：隨著插入多孔介質(zhì)塊的達(dá)西數(shù)增加，平板式太陽(yáng)能集熱器換熱通道性能評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)升高。所有工況中，在多孔介質(zhì)塊高滲透率(Da=10-2)條件下，平板式太陽(yáng)能集熱器的性能評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)最佳，且REC多孔介質(zhì)輔助平板式太陽(yáng)能集熱器的性能最好，隨著多孔介質(zhì)塊布置數(shù)量增加至6塊時(shí)，性能評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)達(dá)到最高，相比于未布置多孔介質(zhì)塊的空換熱通道，性能評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)提高約60%。

圖10 平板式太陽(yáng)能集熱器換熱通道內(nèi)多孔介質(zhì)塊的形狀、布置數(shù)量及達(dá)西數(shù)的變化對(duì)性能評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)的影響規(guī)律Fig. 10 Effects of shape，inserting number and Darcy number of porous media blocks in the heat exchange channel of FPSC on performance evaluation criteria

此外，由圖10a可以看出：在多孔介質(zhì)塊布置數(shù)量較少(N=2)時(shí)，多孔介質(zhì)塊形狀變化對(duì)平板式太陽(yáng)能集熱器性能的影響顯著。

由圖10b可以看出：當(dāng)多孔介質(zhì)塊布置數(shù)量增加至4塊時(shí)，在多孔介質(zhì)塊低滲透率(Da=10-5)條件下，相較于TRI多孔介質(zhì)塊，REC多孔介質(zhì)塊背部更容易產(chǎn)生再循環(huán)區(qū)域增強(qiáng)傳熱，但同時(shí)伴隨著更多的阻力損失。因此，此時(shí)多孔介質(zhì)塊的形狀變化對(duì)平板式太陽(yáng)能集熱器性能的影響不顯著；在多孔介質(zhì)塊高滲透率(Da=10-2)條件下，會(huì)有更多的流體流經(jīng)多孔介質(zhì)塊內(nèi)部，而多孔介質(zhì)塊形狀變化會(huì)使流體流經(jīng)多孔介質(zhì)區(qū)域的面積發(fā)生變化。因此，此時(shí)多孔介質(zhì)塊的形狀變化對(duì)平板式太陽(yáng)能集熱器性能的影響顯著。

由圖10c可以看出：當(dāng)多孔介質(zhì)塊布置數(shù)量繼續(xù)增加至6塊時(shí)，多孔介質(zhì)塊形狀的變化對(duì)平板式太陽(yáng)能集熱器性能的影響同樣如此。此外，多孔介質(zhì)塊布置數(shù)量較多時(shí)，多孔介質(zhì)塊的形狀變化對(duì)其內(nèi)部固—液傳熱的面積變化的影響變小。因此，較多數(shù)量的多孔介質(zhì)塊在低滲透率(Da=10-5、Da=10-4)條件下，TRI多孔介質(zhì)塊輔助平板式太陽(yáng)能集熱器的性能最佳。

3 結(jié)論

本文對(duì)多孔介質(zhì)輔助平板式太陽(yáng)能集熱器熱性能強(qiáng)化進(jìn)行了數(shù)值仿真研究，研究了多孔介質(zhì)塊的形狀、布置塊數(shù)和滲透率對(duì)平板式太陽(yáng)能集熱器換熱通道內(nèi)流動(dòng)和傳熱性能的影響，得出以下結(jié)論：

1)在平板式太陽(yáng)能集熱器換熱通道插入4種不同形狀的多孔介質(zhì)塊，矩形(REC)多孔介質(zhì)塊背部附近區(qū)域更易產(chǎn)生渦區(qū)，強(qiáng)化換熱通道內(nèi)對(duì)流換熱，但同時(shí)也會(huì)有更高的阻力損失；

2)當(dāng)多孔介質(zhì)區(qū)域總長(zhǎng)度一定時(shí)，隨著多孔介質(zhì)塊布置數(shù)量的增加，渦區(qū)數(shù)量對(duì)應(yīng)增加，集熱器內(nèi)傳熱加強(qiáng)，且換熱通道內(nèi)流動(dòng)阻力損失呈現(xiàn)先增加后降低的規(guī)律；

3)隨著多孔介質(zhì)塊滲透率的增大，流經(jīng)多孔介質(zhì)塊的流體變多，多孔介質(zhì)塊內(nèi)部熱交換能力增強(qiáng)，強(qiáng)化換熱通道熱性能，且多孔介質(zhì)塊內(nèi)部阻力損失??；

4)對(duì)平板式太陽(yáng)能集熱器性能評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行分析比較后可以發(fā)現(xiàn)，在多孔介質(zhì)塊布置數(shù)量較多(N=6)、高滲透率(Da=10-2)條件下，REC多孔介質(zhì)塊的性能評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)最佳，相比未布置多孔介質(zhì)塊的空換熱通道，性能評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)提升約60%；在多孔介質(zhì)塊布置數(shù)量較多(N=6)、低滲透率(Da=10-5、Da=10-4)條件下，三角形(TRI)多孔介質(zhì)塊的性能評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)最佳。