考虑环境侧风影响和流态变化的太阳能上升气流塔流动模型的构建方法

本发明涉及太阳能上升气流塔流动模型构建。具体地说是考虑环境侧风影响和流态变化的太阳能上升气流塔流动模型的构建方法。

背景技术：

1、根据2022年bp世界能源统计报告表明，虽然二次能源种类繁多，但一次能源的消耗占比仍然远大于其他新能源技术，世界当前仍处于不可持续的趋势下。在这样的背景下，需要对新能源应用技术做进一步的研究和商业化分析。在新能源产业中，太阳能光伏光热技术具有清洁能源、去除收益过程中产生的废弃物、在新能源技术中被研究等诸多优势。其中太阳能上升气流塔(sut)作为太阳能热利用技术的分支，具有清洁无害、能量来源可靠、系统简易等优点。装置利用太阳辐照加热集热棚内空气，在烟囱效应作用下将热空气循环吸入排出，在发电、建筑通风、海水淡化和农业种植等应用中具有较大潜力。

2、近年来针对太阳能上升气流塔结构改进的模拟进行了大量研究，集热棚倾角、蓄热层材料、气流塔宽径比等参数都会影响气流塔集热通风效率。针对太阳能上升气流塔的结构改进研究在一定程度上推动了太阳能上升气流塔的效率提升和商业化进程。

3、sut内部运行涉及到温室效应、烟囱效应、辐射和对流换热过程、功能转换等复杂传热过程，因此除了对结构改进对装置性能的影响研究，装置本身运行的机理研究同样重要。近年来进行了对各个地区的sut发电站的技术经济可行性分析和针对sut性能增强的cfd机理研究模拟。

4、sut作为一种新型的集热通风和发电系统，得到了大量学者的深入研究，数值模拟研究作为一种成本低廉并且能够对不同结构和环境条件下的系统进行模拟的方法，也得到了大量使用。虽然对sut已经进行了较多的数值模拟研究，但在以上研究中存在三点没有被讨论或优化的缺陷：

5、(1)几乎所有研究都将sut内部空气的流动状态默认为湍流，在这个假设的基础上再进行湍流模型的选择或结构优化等其它方面的改进研究，从现实角度出发这样的选择有一定道理，因为在正常情况下sut内部因自然对流或环境侧风引起的空气流动都可以被看作湍流。但在一定尺寸控制下的sut模型可能存在局部层流到湍流发展的过程，因此在模拟中全程使用湍流模型的计算结果不一定准确；

6、(2)大部分研究将sut蓄热层部分设定为恒定热流密度的发热面，以此模拟太阳辐射照射在蓄热层从而加热流场的过程，但这与实际上的光线透过集热棚进而发生辐射换热和对流换热的耦合传热过程不符；

7、(3)虽然已经进行了部分环境侧风对sut流场影响的模拟研究，但在流动模型发生变化的情况下，不同环境侧风对流场影响程度和影响方式也有所不同，目前还缺乏在环境侧风影响下选择合适流态模型的相关研究。

技术实现思路

1、为此，本发明所要解决的技术问题在于提供一种针对流场内流型发生变化的考虑环境侧风影响和流态变化的太阳能上升气流塔流动模型的构建方法，该构建方法更为准确数值模拟结果。

2、为解决上述技术问题，本发明提供如下技术方案：

3、考虑环境侧风影响和流态变化的太阳能上升气流塔流动模型的构建方法，包括如下步骤：

4、(a)构建小型太阳能上升气流塔sut；

5、(b)以小型太阳能上升气流塔流场中特征长度计算雷诺数，判定系统内部流场流态的变化；

6、(c)在小型太阳能上升气流塔sut外围构建空气域，并设置边界条件；

7、(d)构建transition sst流动模型。

8、上述考虑环境侧风影响和流态变化的太阳能上升气流塔流动模型的构建方法，在步骤(a)中，小型太阳能上升气流塔sut由气流塔(1)、集热棚(2)与蓄热层(3)组成，气流塔(1)为圆柱结构，蓄热层(3)为圆柱结构，集热棚(2)为圆锥结构；集热棚中：圆锥的直径为4m，倾角为10°，蓄热层(3)中，圆柱的直径为4m，高度为0.1m，气流塔(1)的烟囱高度为2.5m、直径为0.12m。

9、上述考虑环境侧风影响和流态变化的太阳能上升气流塔流动模型的构建方法，在步骤(2)中，在圆管流动场中，采用如下方法计算得到re：

10、

11、re为雷诺数；ρ为空气密度；v为空气流速；dh为特征长度；μ为运动粘度；a为过流横面积；p为湿周长度；

12、当临界雷诺数re≤2300时流动状态为层流，re＞4000时流动状态为湍流。

13、上述考虑环境侧风影响和流态变化的太阳能上升气流塔流动模型的构建方法，在集热棚中，以集热棚入口高度为特征长度dh计算雷诺数，计算结果为层流流态；在蓄热层中，以蓄热层直径为特征长度dh计算雷诺数，计算结果为湍流流态；在气流塔中，以烟囱的高度为特征长度dh计算雷诺数，计算结果为湍流流态；由此判断小型太阳能上升气流塔sut中的流动过程中发生转捩过渡现象，满足使用transition sst流动模型的先决条件。

14、上述考虑环境侧风影响和流态变化的太阳能上升气流塔流动模型的构建方法，在步骤(c)中，

15、将空气域设置为立方体空气域，小型太阳能上升气流塔sut模型以立方体空气域底部为中心，将空气域垂直z轴的正方向平面设置为侧风入口，底部表面为壁面，另一侧垂直z轴的负方向的表面为压力出口，相对压力为0pa；

16、采用非结构化网格进行计算，并在集热棚入口和集热棚边界处进行网格细化，以提高计算精度。

17、上述考虑环境侧风影响和流态变化的太阳能上升气流塔流动模型的构建方法，通过fluent meshing修改sut的局部尺寸，得到15463024、10342263、9932156、7561236四个网格数量，并打开太阳能载荷模型，计算4个网格在某个工况下的不同计算例，采用层流模型验证网格的独立性，并在不同网格数收敛后，比较蓄热层表面平均表面温度和烟囱入口中心速度，选择选择网格数为10342263的模型进行计算。

18、上述考虑环境侧风影响和流态变化的太阳能上升气流塔流动模型的构建方法，在步骤(d)中，构建转捩过渡transition sst流动模型的方法如下：

19、遵循连续性方程、能量守恒方程以及动量守恒方程：

20、空气流动的连续性方程为:

21、

22、能量守恒方程为；

23、

24、流体在sut内流动时遵循动量守恒方程：

25、

26、其中，ρ为空气密度，u、v、w分别为x，y，z方向上的分量空气速度；t为流体温度；α为吸收系数；ui为x方向下的单位速度矢量，xi为x方向下的单位矢量；n为运动粘度；su,sv,sw分别为x，y，z方向上的能量源；p表示体积力和表面力对流体微团做功的功率；

27、k-εrng模型中湍动能k方程：

28、

29、耗散率ε方程：

30、

31、其中，k表示湍流动能；μt表示涡黏性；xj表示x方向j单位向量的投影；δk表示k湍流普朗特数；δε表示湍流普朗特数；gk表示由平均速度梯度产生的湍流动能；gb表示由浮力产生的湍流动能；ε表示耗散率；ym表示可压缩湍流中波动膨胀对总耗散率的贡献；μ表示流体动力粘度，t表示时间；计算中使用的常量c1ε、c2ε、c3ε、δε和δk默认值为：

32、c1ε＝1.44,c2ε＝1.92,c3ε＝0.09,δk＝1.0,δε＝1.3；

33、开启boussinesq模型计算动量方程中浮力项；boussinesq模型表达式如下所示:

34、(ρ-ρ∞)g＝-ρ∞β(t-t∞)g             (10)；

35、式(10)中，ρ∞表示环境条件下流体的密度；t∞表示环境条件下流体的温度；β表示热膨胀系数；g表示重力加速度；t表示当前状态下流体温度；

36、transition sst流动模型中，将rng k-ε模型改写成k-ωsst湍流模型，得到：

37、

38、式中，ω表示比耗散率；τij表示涡黏性模型，μ表示流体动力粘度；β*表示模型常数，一般为0.9，计算为：

39、

40、式中，为涡黏性；sij为平均速度应变率张量；δij为克罗内克算子；γ表示间歇因子；sm为sij的对角线元素，表示流体微团的体积变化率或发散度；在某些湍流模型中，snn用于进一步分析湍流的各向同性性质和各向异性特征，以及对涡黏性系数的修正；

41、转捩源项中，间歇因子γ控制模型流态，γ＝0时方程表示为层流模型，0＜γ＜1时表示为转捩模型，γ＝1表示为湍流模型；

42、局部边界层动量厚度雷诺数输运方程如下所示：

43、

44、式中：reθt表示局部转捩雷诺数；μ表示流体动力粘度；δθt表示源项控制参数的湍流普朗特数；pθt表示源项控制参数下体积力和表面力对流体微团做功的功率；

45、transition sst流动模型根据局部边界层动量厚度雷诺数输运方程及式13与k-ωsst湍流模型即式11耦合得到，其中间歇因子γ控制流态模型由层流向湍流过渡的过程，关于间歇因子γ的输运方程如下所示：

46、

47、式中：γ表示间歇因子，控制流态变化；pγ1，eγ1，pγ2，eγ2均表示转捩源项；δγ表示间歇因子控制的湍流普朗特数；uj表示单位矢量j方向上的速度。

48、上述考虑环境侧风影响和流态变化的太阳能上升气流塔流动模型的构建方法，对transition sst流动模型设置假设条件：假设系统内工质流体为不可压缩流体；忽略烟囱壁面散热损失；sut内热量全部来自于太阳辐照。

49、上述考虑环境侧风影响和流态变化的太阳能上升气流塔流动模型的构建方法，对transition sst流动模型设置环境参数和辐射模型：

50、辐射模型中采用太阳载荷计算器模拟不同时间点的光源位置和辐射强度，即开启太阳能载荷模型；

51、射模型中光谱强度计算写成:

52、

53、其中总辐射强度为：

54、

55、式中，表示梯度算子；iλ表示特定波长下的辐射强度；iλk表示特定波长在边界为k下的辐射强度；ibλ表示黑体强度；δs表示散射系数；αλ表示光谱吸收系数；表示位置向量；表示方向向量；n表示折射率；φ表示相函数；ω′表示立体角；δλk表示波长带宽。

56、本发明的技术方案取得了如下有益的技术效果：

57、1、本技术在开启太阳能载荷模型的基础上，模拟不同工况下的太阳光照，建立sut外空气域，预测环境侧风对系统性能的影响。通过计算本文使用的小型sut特征长度对应的雷诺数，发现系统内部流场存在层流和湍流两种流动状态，并推断流动过程中存在过渡。分析了不同流场模型(层流模型、再归一化组(rng)模型、k-ω剪切应力输运(sst)模型和transition sst模型)的流场数值模拟结果，得到了集热系统蓄热层的表面温度场和速度场分布。对不同流动模型条件下的蓄热层表面温度与实验数据的误差进行了比较。通过对数据的比较，得到了最适合sut数值模拟的流动模型。

58、本文通过sut系统选取不同特征长度确定雷诺数进行流态判定，比较流场不同流动状态(层流模型、rng模型、transition sst模型和k-ωsst模型)，在考虑太阳载荷和环境侧风的条件下对四种流态模型进行模拟计算，与相同工况下的实验测试数据进行对比，结果表明：

59、(1)使用transition sst模型和k-ωsst模型计算平均温度的相对误差比传统rng模型低0.1％～1％，尽管在某些场景下使用rng模型仍然是奏效的，但使用transition sst模型和k-ωsst模型在性能预测上有所改进；

60、(2)由于过渡边界层的存在，在太阳负荷模型的影响下，transition sst模型的流场表现出更明显的流场特征，最接近真实情况；

61、(3)transition sst模型和k-ωsst模型在本文的sut模拟计算中结果较为接近，但根据对sut各处雷诺数的计算，以及流场分布与真实情况的物理规律差异，使用transition sst模型对流场的预测更为准确。

62、需要注意的是，在本文sut流场分析中前期进行了对不同位置特征长度对应的雷诺数的计算，从入口到烟囱底部选用不同特征长度得到的雷诺数对应不同的流态，以此为依据选用转捩模型。并且通过本文使用k-ωsst模型的验证结果来看，该模型对sut的流场预测误差也较小，因此本文建议，在通过无量纲数计算后，如果判断装置内没有发生过渡过程，直接使用k-ωsst模型对结果预测的准确性也有一定帮助。

63、综上所述，通过对transition sst模型和其他三种模型计算得到的蓄热层温度、速度分布进行比较，分析其中的物理规律是否符合实际，与实验真实值是否存在较大差异。结果表明在本文所选用尺寸的sut流场分析中transition sst模型与实际情况更接近。在其他流场问题研究中选用何种流态模型进行计算还需要判断边界层、局部雷诺数以及是否具有其他环境参数(如环境侧风)等因素对流场产生的影响，通过前期分析选用更可靠的流态模型进行计算，得到更为准确的结果。