太阳能地下混凝土储热桩蓄热过程中的数值模拟

建立了太阳能地下混凝土桩蓄热过程的数学模型,采用了有限单元法对地下垂直埋管周围混凝土桩的非稳态温度场进行数值模拟,给出了不同边界条件下数值计算格式,分析了换热器周围混凝土温度变化的规律,为U型垂直管埋深及混凝土桩的配合比,在确定方法上提供了参考依据。     

方腔蓄热模型优化及蓄热过程数值模拟研究

为研究方腔式蓄热单元内有机相变材料融化过程的传热规律,数值模拟了不同体积分数石墨烯纳米片填充下复合相变材料融化过程的液相分数和努塞尔数的变化;针对方腔蓄热单元热量在顶端聚集的问题,构建了分层模型,模拟了不同模型中复合相变材料的融化过程。结果表明：当石墨烯纳米片体积分数分别为1%、3%和5%时,复合相变材料完全融化时间分别为32.1、20.0、17.5 min,与纯质石蜡相比,融化时间分别缩短了70.47%、81.62%和83.92%;方腔上下等分时,融化时间相比于未分层时缩短11.88%;将方腔上下部分别填充体积分数1%与5%的复合相变材料,相比于未分为层时,整体填充3%的复合相变模型融化时间缩短了25.83%。由模拟结果可得,在石蜡中添加石墨烯纳米片可以使其导热性能有很大程度的提高,同时黏度增长程度较小,对自然对流产生的影响也比较小。综合考虑可以发现,在石蜡中添加石墨烯纳米片可以强化其传热性能;分层模型可以缩短相变材料融化时间,合适的填充方案能够进一步加快矩形方腔的融化过程。     

有限元数值模拟技术在结构设计中的应用

随着计算机技术的飞速发展以及有限元理论的日益完善,数值模拟技术在结构设计中发挥着举足轻重的作用。本文即采用有限元数值模拟技术对多个工程中的结构进行了数值模拟,包括墩台、防潮墙、高桩码头、抛锚杆等的线性分析以及套管的非线性接触分析等,通过计算显示出数值模拟技术在结构设计中不可替代的优势。     

螺旋管式相变蓄热过程的数值模拟与系统优化

对地源热泵供热系统中,利用低谷电蓄能的相变蓄能装置进行研究,以提高供热系统的经济性．在研究中对相变材料蓄热装置结构进行改进,提高了相变材料蓄热能效．利用相变材料能量守恒原理,确定合理的边界条件,对蓄热工况的传热过程进行了三维数值模拟优化．模拟结果显示,当蓄热初始条件相同时,不同装置结构中相变材料发生相变的程度会不同,出现死区的面积也不同;结合相变材料传热特性和过程,通过改进装置结构,采用螺旋管中间连通直管段的圆柱体蓄热装置,改善了蓄热效果,解决了相变材料熔化过程存在死区的问题,相变材料熔化率由原来的72％提高到93％,蓄热总量有了明显提高．同时还对采用低谷电蓄热、高峰用能放热的经济性进行了分析．结果表明采用相变材料蓄热可充分利用谷电,节约运行成本,具有良好的经济性．     

太阳能-U形埋管土壤蓄热特性数值模拟与实验验证

为了探讨利用太阳能-地源热泵系统中现有钻孔U形埋管进行太阳能跨季节性土壤蓄热的可行性及其特性,基于多孔介质传热传质及地下水渗流理论,建立了考虑地下水渗流与热湿迁移影响的准三维U形埋管土壤蓄热的数学模型.基于对模型的数值求解,探讨了间歇蓄热运行模式及地下水渗流对U形埋管土壤蓄热特性的影响,结果显示:间歇蓄热方式有利于土壤温度的恢复,从而可提高蓄热效率;同时,地下水渗流的存在可以强化地下埋管的换热效果,但不利于用埋管作为蓄热装置.实验验证表明,埋管日平均出口温度及日蓄热的计算值与实验值随时间的变化规律一致,其平均相对误差为5.6％.所建模型为U形埋管土壤蓄热及其传热特性的研究提供了理论基础.     

蓄热式加热炉流场的数值模拟

利用大型软件CFX建立了蓄热式加热炉炉内速度场的数学模型．采用k-ε模型数值模拟炉内的湍流流动，分析喷口几何形状及尺寸，喷口的分布位置等对炉内的速度分布的影响．计算结果为，蓄热式加热炉炉内流场与传统加热炉迥然不同，流场分布有利于燃料和助燃空气的混合，符合高温低氧燃烧的的流场分布．另外，影响炉内速度场的因素有炉型结构、喷口几何形状与尺寸及喷口的分布位置等．     

过渡期开采矿山的有限单元法数值模拟

研究数值模拟在露天转地下过渡期开采矿山的应用，是一项很有价值的工作。着重探讨了有限元数值模拟的方法和技巧，如边界条件的确定、岩体力学参数的确定以及模型的建立等等，并结合石人沟铁矿进行了验证，提出了相应的保证边坡稳定的防护措施。     

相变蓄热水平套管内凝固过程的数值模拟

该文针对相变蓄热水平套管相变过程,考虑相变区内的自然对流效应,利用计算流体力学软件Fluent软件内的凝固/融化模型对套管内十八烷相变材料进行模拟,得到了不同时刻下套管内传热流体与相变材料耦合问题的温度场、流速场的变化规律.结论表明凝固过程开始阶段,对流换热对换热的影响十分强烈,不能忽略不计.研究结果对蓄热套管在工程实际中的应用具有一定的参考价值.     

相变蓄热水箱蓄热性能数值模拟研究

在封闭静止的蓄热水箱中添加相变材料可以增加水箱热容量、延长水箱升温时间。分别建立了有、无相变单元蓄热水箱的物理模型,利用有限体积分析法对蓄热水箱加热过程进行数值模拟,探讨了封闭水箱加热过程中相变单元的熔化规律和相变单元对水箱温升的影响规律。研究结果表明相对于纯水蓄热水箱,当蓄热水箱中加入占水箱容积9.05%(体积分数)的相变单元、其平均温升29 K时,蓄热水箱的整体热容量提高了25.58%,加热时间延长了1 100 s;蓄热水箱内只在垂直方向上存在热分层,导致含有相变单元的蓄热水箱较高位置处的相变单元先熔化,降低了较高位置处水的温升速率,使得相变蓄热水箱和纯水蓄热水箱的热分层剧烈程度存在差别;以最大温差值作为判断水箱热分层剧烈程度的依据,不同加热功率下相变蓄热水箱的热分层特征变化规律大致相同,但加热功率越大,热分层现象越剧烈。     

太阳能相变蓄热炕的实验及数值模拟研究

为实现太阳能相变蓄热炕的快速升温,采用毛细管网及配置高导热复合相变材料来提高炕体的热响应时间,通过数值模拟与实验研究相结合的方法对炕体的热工性能进行研究。本文首先对比不同熔点石蜡的差示扫描量热(differential scanning calorimetry,DSC)曲线,选取35#石蜡作为研究对象,采用熔融混合法制备不同配比的石蜡-膨胀石墨复合定形相变材料;并通过渗漏测试确定最佳配比。实验表明:当膨胀石墨质量分数为8%时,复合定形相变材料渗漏率较低,为兼顾储热、导热性能的最佳配比。将石蜡复合相变材料应用于太阳能相变蓄热炕,通过计算流体动力学(computational fluid dynamics,CFD)建立三维非稳态传热模型,对炕体进行24 h供热模拟设计;模拟表明:太阳能相变蓄热炕在昼间垫面温度达到24.2 ℃,夜间垫面温度达到30.2 ℃。通过Trnsys(transient system simulation program)软件对组合式系统进行运行模拟发现:组合系统均可达到设计的45 ℃及以上;另外,组合式系统全年节电量为2 974.7 kW·h,或节省标准煤469.9 kg,或减少二氧化碳1 240.5 kg、一氧化碳70.9 kg、PM₁₀6.8 kg等,节能减排量显著。     

地源热泵U型管地下换热器的CFD数值模拟

为了给地源热泵U型管地下换热器的优化设计提供理论依据,通过CFD数值软件对地源热泵U型管地下换热器系统中的流动和传热过程进行数值模拟.结果表明,地源热泵U型管地下换热器的换热效率随支管间距的增大而增加,随回填土材料热导率的增加而增大,而且支管间距和回填土材料热导率对换热器效率的影响是很复杂的非线性关系.当钻孔深度超过80m时,两支管的温升比急剧增加,支管间的热损失加剧,建议在实际操作中钻孔深度不要太深.     

地源热泵中U型埋管传热过程的数值模拟

以钻孔壁为界将U型埋管的换热区域划分为钻孔内外两部分,并分别采用稳态与非稳态传热来分析求解,两区域模型间通过钻孔壁温耦合连接,以构成完整的埋管传热模型.对于钻孔以外部分,采用变热流圆柱源模型来求解钻孔瞬时壁温.钻孔以内部分,在考虑埋管流体温度的沿程变化及U型管2支间热干扰的基础上,基于能量平衡建立了钻孔内U型埋管的稳态传热模型.用所建U型埋管传热模型对地源热泵系统的运行特性进行了动态模拟,得出了埋管出口流体温度、钻孔瞬时壁温、单位埋管吸热量及热泵COP随运行时间的变化规律.所建埋管模型可为地源热泵系统的动态模拟、优化设计及其改进提供参考.     

基于非等温管道流动的浅层地热泵有限元分析

基于流场、温度场多场问题的有限元方法,对非等温管道流动的浅层地源热泵这一工程技术进行了数值模拟分析。首先,在假定的基础上给出了地源热泵多场问题的数学控制方程,然后利用COMSOL Multiphysics有限元软件建立了相应数值模型,对地源热泵的相关施工参数影响进行了分析。结果表明：随埋深增加,地埋管出水温度增加,每延米管长换热功率减少;地埋管内径越小,其出水温度越低,每延米管长换热功率也减小。两管靠得越近,两者之间的热阻就越小,导致热短路现象,进而影响进水管温度。随着导热系数的增大,出水温度将降低,每延米管长换热功率将增大,在回填材料导热系数小于或略大于岩土体导热系数时,使用好的导热系数回填材料在提高每延米管长换热功率效果方面比较明显,这种效果在进一步提高回填材料导热系数时将趋缓。     

太阳能热发电用高温相变蓄热器的数值模拟

对采用单级相变材料(PCM)蓄热的太阳能热发电用高温相变蓄热器的蓄热过程进行了数值模拟。得到了采用单级蓄热时熔化过程中PCM温度和液相率随时间的变化曲线及不同时刻液相率的分布云图。通过对曲线和云图的分析,在保证蓄热量的前提下,提出了采用3种PCM级联蓄热的高温相变蓄热器的设计方案,并对其蓄热性能进行了模拟。结果表明,采用级联蓄热的方案减小了蓄热的总时间,且有效地降低了单级蓄热末期"死区"对蓄热性能的影响,使PCM的液相率分布更加均匀,为太阳能热发电用高温相变蓄热器的优化设计提供了理论依据。     

竖直U型地埋管传热性能数值模拟

对土壤源热泵系统在制冷季中垂直U型地埋管的传热性能进行数值模拟,揭示U型管入口水温、入口流速和回填材料导热系数对地埋管传热性能的影响规律.计算结果表明:在30~60°C的入口温度范围内,当雷诺数从3 000提高到11 000时,会使地埋管热流量增大10~23W,但会导致流体进出口温差降低0.2~1.34°C,在工程应用中流体进口流速要控制在一定范围内.水的入口温度和雷诺数分别为45°C和7 000时,回填材料导热系数从0.5 W/m·K增大至2.5 W/m·K,U型地埋管的热流量增大了将近2倍,也就是说在工程应用中,如果在回填土中掺混一定比例的保水材料将会增强埋管换热,并防止埋管长期运行时由于土壤本身保水性差使得土壤板结从而导致埋管失效.模拟结果与实验数据进行对比吻合较好.     

步进式加热炉板坯温度场数值模拟

钢坯加热是轧制前的重要工序,随着燃料价格的提高及新钢种的应用,建立精确的钢坯温度-时间关系传热模型已成为提高产品质量和节能降耗的首要条件。以某钢厂轧钢加热炉为研究对象,对钢坯加热过程的温度场进行数值模拟。建立了板坯在加热炉内加热数学模型,采用有限容积法对模型进行了离散,通过编程求解得出:在各加热段钢坯角部温度最高,加热段升温速度最快,钢坯断面温差最大,均热段断面温差最小,钢坯出炉断面温差稍高,建议延长均热时间。     

基于FEPG的构造裂缝数值仿真与分析

利用有限元数值模拟技术对油气田深部储层构造裂缝进行仿真和预测分析是一种非常有效的办法。传统的仿真方法中,由于控制条件多来源于实验室实测结果,虽然结果较为准确,但是存在以点代面、成本过高等缺陷。选择大庆油田一个深部油气层作为研究目标,探索在地质构造裂缝的仿真预测中边界控制条件的选择问题。首先利用实验室实测力学参数建立初始模型,然后通过反演18条地震剖面的伸展情况获得该地层变形情况,并将反演结果作为仿真构造应力场的边界控制条件,进而在开源的有限元软件FEPG上进行仿真,从而避免了传统方法中因单纯以岩石实验结果作为控制条件而导致的以点代面和成本过高等不利因素,仿真结果与钻井数据统计结果基本一致。仿真结果表明,预测的构造裂缝发育主要集中在构造高位置以及断层附近,裂缝方向有较明显的规律性,优势方向与本区断层带走向基本一致,在相邻的断层之间,裂缝发育方向变化较大。仿真也为明确裂缝分布规律及油气勘探提供了理论指导和技术支持。     

Modeling and simulation of heat transfer for glass bulb mold

Cooling system design in glass bulb pressing operation can greatly affect the productivity and the quality of the final product. The concept of cyclic-averaged steady temperature field is proposed in modeling. Heat transfer in the mold region is considered to be a cyclic-steady, three-dimensional conduction; heat transfer within the glass melt region is treated as a transient, one-dimensional conduction; heat exchange between the cooling system surface and coolant is treated as a steady heat convection. A hybrid model consisting of a three-dimensional boundary element method for the mold region and a finite-difference method with a variable mesh for the melt region is used for numerical simulation. Compared with the experimental data, the numerical model developed here is computationally efficient and sufficiently accurate.