考虑热盐双扩散的梯形太阳池二维数值模拟 姜霖松.docVIP

中国工程热物理学会 传热传质学 学术会议论文 编号：143541 考虑热盐双扩散的梯形太阳池 二维数值模拟 姜霖松，刘宏升，吴丹，孙文策 （大连理工大学 海洋能源利用与节能教育部重点实验室 辽宁 大连 116024） （联系电话E－mail：1160819157@） 摘要：本文以梯形太阳池为研究对象，在CFD软件Fluent 13.0中，对梯形太阳池进行了二维非稳态数值模拟研究。从温度场和流场分布两个角度验证了模型的有效性。分析了热盐双扩散条件下，梯形太阳池内部温度、流场的动态变化规律。结果表明：梯形太阳池温度整体高于矩形太阳池，二者最大温差在5℃左右；同一水平面内温度呈两侧低、中间高规律分布；太阳池内速度环流主要发生在UCZ和LCZ；UCZ与LCZ的厚度存在增厚趋势，对太阳池进行盐度维护是十分必要的。 关键词：盐梯度太阳池；双扩散稳定性 图 梯形太阳池示意图 Fig. Comparison of the trapezoidal and rectangular pool 1.2 边界条件 因模型不考虑表面蒸发造成的组分损失，表面边界条件重点考虑由风引起的水平方向剪切力F(如图1)，表面剪切应力可表示为： （4） 其中为空气密度，为池水表面风的拽力系数[7]，为太阳池表面高度处风速， 其大小为太阳池所处地区的实际风速值。 能量方程(4)的表面边界条件为第二类边界条件，表面处热流密度值取决于表面热损失量，该热损失量长波辐射损失、蒸发损失、对流热损三部分： （5） 其中环境温度和池表水温取自实测数据为大气发射率，为相对湿度， 1.3 太阳辐射模型 池水吸收的太阳辐射量表达式为[11]： （6） 其中，为太阳辐射透射率。当池水浊度时，采用WS模型[]；当时，采用混合回归模型[]。太阳辐射进入太阳池后，在池底表面发生多次反射John R提出的池底反射模型[]，建立同时考虑浊度与池内反射的辐射透射率改进模型为： （7） 式中和是有池底反射的净辐射能通用函数，为池底反射率，为太阳池总深度。 图.实验与模拟结果的比较 Fig.2 Comparison of experimental and simulation results 图2给出了太阳池运行第8天，水平方向几何中心处温度模拟与实验对比。实验与模拟随池水深度增大温度逐渐升高，在LCZ顶部附近达最大，模拟最高温度要略高于实验值，LCZ温度随深度增加略有下降。实验与模拟的差别在于NCZ层温度偏差较大，最温差℃左右 图3给出在热浮升力与质量浮升力共同作用下的方腔结构中，本文模型与文献[15]模型结果的对比图。 模型中流函数、速度、温度及盐度均进行了无量纲化处理。由图可以看出，无量纲流函数为典型的三单元流场结构，流函数最大值出现在各单元几何中心区域，近壁面处无量纲流函数为0，流函数等值线(流线)为封闭曲线，表明流体呈环流流动；速度分布图中，各单元中心处速度为零，由中心到壁面过程中速度先增大再减小，存在速度最大值，近壁位置的无量纲速度较小、方向与主流流体方向相反。由图3可以看出，本文计算结果与Han[15]模型的结果基本吻合，结果符合传热传质基本理论，说明本文模型可以较为准确的预测流场分布，并对其他无量纲变量进行描述，从而确定了模型的有效性。 图3 流函数，速度，温度，盐度分布的对比图 Fig. 3. Comparison of the stream functions, velocity vectors, temperature, and concentration 3.2 梯形太阳池速分布 图4 梯形太阳池速度矢量图 Fig.4 velocity vectors inside the trapezoidal solar pond 图4给出第1天14时梯形太阳池内速度矢量分布情况，可以看出此时上对流区具有杂乱短小的涡旋，计算显示最大速度达到，图中无法清晰看出表面剪切力的影响，这是因为太阳池运行初期池水温度较低，而14时为第一天中温度最高时刻，太阳池表面温度较高，与低温区形成温差而产生热浮升力，在浮升力作用下产生杂乱涡旋，表面剪切力引起的速度变化十分微小，可以发现表面小涡旋旋转方向均为逆时针方向