[发明专利]基于相变传热的二维冰柱相界面对流换热系数计算方法

说明书

本发明提供了基于相变传热的二维冰柱相界面对流换热系数计算方法，属于相变贮能技术领域。该方法包括建立用于计算二维冰柱相界面对流换热系数的物理模型并假设相关物性参数为常数、冰柱轴向导热相对冰柱径向导热忽略不计及融化的冰被水流及时带走；计算某时刻强迫对流和冰柱相界面垂直中心线的浮升力方向之间的夹角θ对应的冰柱单位表面积的局部质量融化速率；计算传导到冰柱中的总传热量，进而确定θ角处的导热热流密度；计算所述θ角处的局部对流换热系数；通过测量冰柱体积随时间的变化来确定总的质量融化速率；根据总传热量和总质量融化速率确定冰柱相界面的平均对流换热系数。较好地反映了相变材料传热特性参数与相界面对流换热系数之间的关系。

技术领域

本发明属于相变贮能技术领域，具体涉及一种基于相变传热的二维冰柱相界面对流换热系数计算方法。

背景技术

相变的形式有多种，但就其实现的可能性及成本来说，相变材料(PCM)的贮能应用最普遍采用的是固-液相变。水流冲刷冰柱相变传热问题是从蓄冰盘管热交换过程抽象出来的科学问题，是典型的固-液相变问题。当融冰取冷时，水流与冰柱之间发生对流换热，水流传递给冰柱的热量分为两个部分，一部分为显热量，另一部分为潜热量。其中显热量变化集中在冰柱融化初期，冰柱融化后期，显热量可以忽略不计。为了反映显热在相变传热过程中的作用，需要建立显热量计算公式。众所周知，对流换热系数反应了对流换热的强度。在水流冲刷冰柱相变传热过程中，水流与冰柱之间传热为对流换热，所以研究水流冲刷冰柱融化传热特性，需构建冰柱相界面对流换热系数的计算方法。为了分析影响冰柱相界面对流换热系数的主要因素，需要构建相变材料传热特性参数与相界面对流换热系数之间的计算方法。光学法和超声波测量法是研究相变传热问题的常用实验方法，具有不破坏原有流场和温度分布的特点，但此类方法所测量参数仅局限于相界面的位置和流场的分布等，无法直接测量冰柱相界面对流换热系数，不能直接获得通过冰柱相界面的传热量，尤其是不能测量融化过程中的显热量变化。近似求解法是处理水流冲刷冰柱相变传热问题的理论解法。常用的近似解法有热平衡积分法。热平衡积分法(HBIM)是一种主要应用于相变问题的近似求解方法，具有较高的计算精度，能较好反映显热变化。经典的热平衡积分法通常是一个二次函数。在建立适当的边界条件后，该方法被推广到三次热平衡积分法进一步提高计算精度。

在相界面对流换热系数计算方法方面，FUKUSAKO S等人对浸没在静止盐水中的水平冰柱融化过程进行了研究，获得了冰面附近自然对流的分布数据，建立了相界面一维平均对流换热系数计算式。YAMADA M等人对浸没非共混溶液体中的水平冰柱进行研究，构建了一维对流换热系数计算式。MUKHERJEE M K等人研究了三种尺寸的冰球的融化过程，获得了冰球的相界面移动规律和冰球融化速率随时间的变化规律。通过理论推导，得出一维导热相变模型不能预测冰球融化现象的结论。以上基于相变传热问题的对流换热系数计算方法主要集中于一维冰球或冰柱的固-液相变过程，未反映出相变材料传热特性参数与相界面对流换热系数之间的关系。将一些相变传热问题作单向处理，简化为一维，这样造成计算结果精度的降低，而且实际中的相变传热问题多数都是二维或二维以上的，不宜简化。

综上所述，解决水流冲刷冰柱相变传热问题的常用方法以及对相界面对流换热系数计算方法的研究存在以下几个问题：1、常用的解决水流冲刷冰柱相变传热问题的实验方法所测量参数仅局限于相界面的位置和流场的分布，不能直接获得通过冰柱相界面的传热量，尤其是不能测量融化过程中的显热量变化。2、现有基于相变传热问题的对流换热系数计算方法主要集中于一维冰球或冰柱的固-液相变过程，造成计算结果精度的降低，应用范围小。3、现有基于相变传热问题的对流换热系数计算方法未反映出相变材料传热特性参数与相界面对流换热系数之间的关系，不能有效反应显热量在相变传热过程中的作用。

发明内容

针对现有技术存在的问题，本发明提供一种基于相变传热的二维冰柱相界面对流换热系数计算方法，旨在通过该方法较好地反映出相变材料传热特性参数与相界面对流换热系数之间的关系。

本发明的技术方案是：