基于Fluent石蜡相变材料模拟
一、问题背景：
为了解决日益严重的能源短缺问题，如何更加充分地利用现有的化石能源，开发利用绿色能源成为世界各国关注的重要议题。随着现有化石能源的逐步开采利用，世界各国已经普遍认识到降低对传统能源（如煤炭、石油、天然气能源等）的依赖性，以及对绿色能源（如太阳能、风能、地热能等）实现充分开发利用的重要性，使用再生类能源并通过提高能源利用效率的方式成为应对能源枯竭现状的重要手段。蓄热技术就是这类能够提高能源利用效率的典型技术手段，蓄热技术通过将间歇性或者不稳定的热量通过蓄能介质暂时储存，在有使用要求时释放能量，解决能源利用高峰阶段造成的能源匹配不足的问题。经过多年应用发展，蓄热技术已经在太阳能、地热能、风能、工业废热、电网系统的“移峰填谷”等领域有了一定程度的应用，并表现出强劲的发展势头。
二、蓄热技术
蓄热技术一般通过利用蓄热介质的比热容、潜热等物理特性实现对采集能源多余热量的暂时储存，主要分为显热蓄热、潜热蓄热和化学热反应蓄热，其中前两种技术属于物理蓄热范畴。
显热蓄热
显热蓄热通过提升蓄热介质材料的温度进而提高物质内能的方式实现储热，储热能力取决于材料的比热容（提升物质单位温升所需要的外部能量）等物理参数。显热蓄热的突出弱点在于由于蓄能介质（例如水）在多余能量的储存过程中伴随着物质温度的上升，不能满足部分设备对于恒温放热的要求。同时，显热蓄热材料蓄热能力有限，储能密度较低，往往需要较大容积的容器提供储能保证，限制了显热蓄热技术的大规模推广应用。
潜热蓄热
潜热蓄热技术充分利用了相变介质在相态改变时会吸收或释放巨大的能量，并藉此实现对多余能量的储存和释放。这类利用相变过程实现能量吸收释放的材料被称为相变材料。相比显热蓄热材料，相变材料的相变潜热与蓄热材料的比热特性相比在储热能力方面有了极大的提升，同等质量的储热介质能够实现对更多能量的储存，降低了对储热设备容积、质量等方面的要求，降低了整体设备成本。同时，潜热蓄热材料在相变吸热放热过程中近似等温过程，方便了实际工程控制。尽管如此，由于相变蓄热材质在导热、传热特性方面的不足，以及某些无机盐相变材料存在的相分离和过冷现象以及某些固有的化学反应，会严重影响储热设备的使用寿命。
化学热反应蓄热
化学热反应在反应过程中会释放大量热量，与外部环境进行热交换，化学热反应蓄热即是利用这一热交互过程实现能量和吸收和释放。基本原理如下：利用正化学反应吸热，将能量转化为化学能储存，之后利用负反应放热，将通过正反应储存的能量通过热量的方式释放出来。化学热反应蓄热与相变潜热蓄热技术有相似的优势特点，但是由于化学热反应存在反应过程复杂、反应速度过快、反应过程复杂难于控制等问题，对于热反应发生装置要求较高，目前仅仅在一些特殊要求应用场合得到了一定程度的应用。
综上所述，在热能综合利用和蓄能技术对比中，采用相变材质的潜热蓄热技术具有更为突出的应用前景，如图1所示为一种典型的通过相变材料实现蓄热的蓄热系统构成（相变蓄能热水器系统）。该系统首先通过吸收外部太阳辐射热量对水进行加热，并导入热水箱结构进行储存，对于多余的能量，系统通过热水将热能再次转化为相变材料的相变能量，实现对多余能量的储存。在夜间缺少太阳能的时候，可以通过相变蓄热模块对冷水进行初步加热，并将初步加热的温水导入热水箱通过传统的辅助加热设备加热到固定的使用温度。上述系统能够在连续多天没有阳光或者日照不足的情况下，实现对所储存能量的更高效的利用，降低对传统能源的依赖程度。
外部阳光辐射热能供应热水辅助热源多余太阳能热水箱截止阀冷水相变蓄热模块
图 1 相变材料实现蓄热的蓄热系统构成
三、相变材料介绍
根据蓄热材料的组成分为无机类、有机类和复合相变材料三个大的类别。通过相变材料的相变过程温度变化范围分为高温相变材料（相变温度≥250℃），中低温相变材料（相变温度：100℃～250℃），低温相变材料（相变温度≤100℃）。如图2所示，对相关相变材料分类及类别内的物质种类进行了简要划分。
潜热蓄热材料依据材料类别无机相变蓄热材料：熔融盐类、结晶水合盐类、金属合金类无机物有机相变蓄热材料：石蜡、脂肪酸类、多元醇等有机物混合相变蓄热材料：通过将有机相变材料和无机相变材
料进行一定比例的混合。依据材料相变温度低温蓄热材料：石蜡、脂肪酸、醇类、盐类水合物；中低温蓄热材料；高低温蓄热材料：单纯盐类、金属与合金、金属氧化物、混合盐类；
图 2 相变材料划分及典型代表
四、基于Fluent的石蜡相变材料蓄热模拟
本次毕业设计采用ANSYS Fluent计算流体力学仿真软件对考虑对流状态下的石蜡相变材料融化和凝固过程进行了数值模拟，研究石蜡材料在热交互过程中的储热机理和传热效果，为基于潜热蓄热激励的储能设备的设计提供参考数据。
4.1 固-液相变传热相关机理
相变材料的凝固和融化过程实际上完全是一个物理变化过程，在热力学中往往利用潜热的概念（KJ/kg）对单位质量的相变物质相态转化所需要的能量进行定义，并称相变材料在相态转化过程中的潜热为溶解热（或者凝固热）。相变材料相态转变过程主要分为三个阶段： 1.相变材料的显热存储阶段：相变材料的温度低于外部热源温度，材料与热源发生热传导实现材料之间的能量交互，相变材料温度逐步上升并达到物质熔点温度。
2.相变材料的潜热存储阶段：相变材料达到材料熔点后，依旧持续从外部热源吸收热量并转化为自身能量，但在存储阶段相变材料的温度不变，吸收的热量转化为融化热能量，并促使相变材料由固态转变为液态。
3.相变材料的第二显热存储阶段：当全部相变材料转换为液态形式，持续从外部热源吸收的热量将促使液态相变材料温度进一步升高。
相变传热过程是一个复杂的固-液两相转化过程，相变过程中固-液交接面的移动依赖于外部边界条件，界面移动的速度取决于相变材料结构、属性以及外部热力学边界条件，涉及了固-液两相界面的移动，在数学上属于高度非线性的复杂问题，无法单独对系统方程进行求解，需要采用单独的求解器对系统进行分别求解。
4.2 相变传热的数学模型和求解机理
由于相变材料的相变过程中，对于单一的相变材料，由于有确定的相变温度，存在不同状态条件下的相变材料共存的现象。不同状态的相变材料由于具有不同的物理属性（导热性质和比热容），并且在固态相变材料中仅仅具有热传导方式的热量转化而在流体状态的相变材料中还包括了热对流的传热方式。目前，对于固-液相变材料传热模拟的数值求解思路主要包括以下两种： 1. 温度法模型
温度法模型适合于单一成分有固定相变温度的相变材料传热过程模拟，以温度为系统因变量，分别对不同状态下的相变材料进行控制能量方程的建立，并进一步进行温度求解。
2. 焓法模型
相比前述温度法模型，焓法模型不仅适用于单一组分的相变传热模拟过程，对于模糊的边界移动等传热问题同样适用，该方法将焓作为系统因变量，在固、液以及混合模糊区域建立统一的能量守恒控制方程。
图 3 固-液两相系统示意图
如图3所示，为典型的相变材料固-液两相系统示意图，选择对应控制体V作为研究对象，经过相界面的移动，在时刻t，系统分为固体相和液体相，将相间由于温度变化产生的循环流动速度定义为v,控制体内材料的变化以及相界面移动取决于交界面S处的传热边界条件，初始材料温度以及材料的热力学物理属性。对于，焓法模型，应用积分形式（如公式1）：
式中，以温度和焓参数作为系统因变量，相互关系可以通过公式2实现转换：
公式2中，参数和分别表示相变材料固相比热和液相比热，参数和分别表示相变材料的液体相与固体相焓值，单位为。将上述方程带入分别表示固体相和液体相的能量控制方程（公式3和公式4）：
式中，和分别表示固体相和液体相的密度参数，和表示对应相态的导热系数，和分别表示对应相态的温度，表示梯度算子。想要求解温度控制方程，需要首先对流体场的速度方程及相关系数进行求解。将公式1,2带入公式3,4后，可以得到如下方程：
,
通过上述公式可以将活动区域以及相态界面区域的能量控制方程统一为一个共同的控制方程组，实现了相变传热模拟的数值计算。对于上述问题的求解方法，对于一维问题求解主要包括：Neumann法，Lightfoot积分法，Paterson法，对于多维问题求解主要包括有限差分法，有限元法和有限体积法。
4.3 基于Fluent的石蜡材料相变传热模拟
4.3.1 Fluent计算流体力学数值模拟软件介绍
Fluent是一款较为常用的集成流体、热力学领域数值模拟技术的数值模拟软件，采用了多重网格技术，具有求解收敛稳定、收敛速度快的特点，软件提供了丰富的物理模型。依托ANSYS有限元仿真软件多场耦合平台，ANSYS Mesh模块为Fluent提供了较好的前处理功能，可以高效集成多种CAD辅助建模软件，能够生成二维数值模拟所需要的三角形、四边形网格，生成三维数值模拟所需要的四面体、六面体网格，并能够方便实现对模型细节网格的处理，包括网格细化、节点耦合等处理方式。同时，ANSYS平台为Fluent软件提供了更人性化的结果后处理窗口CFD-Post。ANSYS平台下基于Fluent的流体数值模拟一般流程如图4所示。 ANSYS Mesh前处理窗口待分析简化模型ANSYS Fluent模型导入ANSYS Fluent分析模型选择ANSYS Fluent材料设定ANSYS Fluent边界条件设定ANSYS Fluent求解器设定ANSYS Fluent模型初始化ANSYS Fluent计算求解ANSYS CFD-Post后处理窗口速度分布压力分布温度分布组分分布 分布
图 4 Fluent数值模拟基本流程
4.3.2 Fluent Solidification/Melting模型介绍
为了实现对相变材料传热条件下的相变传热过程进行数值模拟，Fluent提供了专业的融化模型（Solidification/Melting模型），该模型采用前述焓法模型作为系统控制方程内核，适用于带有模糊区域的相变传热过程模拟。在数值计算模拟过程中，由于相变材料由固态吸热变为液态，材料孔隙率由0逐渐增加为1，相反的，当材料由液相逐渐转变为固相状态时，材料孔隙率相应的由1逐渐转变为0,。同时，Solidification/Melting模型引入了液相率参数，用温度表示为如下形式：
式中，对于单一成分的相变材料模拟有，对于混合成分的相变材料模型有,切相变率参数满足。同时在焓变计算过程中，Fluent对能量方程和动量方程中的源项进行了修正，表示为如下形式：
能量方程源项修正形式：
动量方程源项修正形式：
其中：表示模糊区域流体设计参数，一般取值为，为小于0.0001的固定参数。
4.3.3 基于Fluent的石蜡凝固和融化设置模拟研究
本章将基于Fluent流体仿真软件的凝固-融化模型对圆管外侧石蜡蓄能材料的融化和凝固过程进行数值模拟，在此基础上对不同结构形式，不同热源（恒定进水温度以及太阳能辐射热源）条件下的液相分数以及对应相变材料的温度场数据进行了提取，以此为进一步研
泡沫金属／石蜡复合相变材料蓄热过程的数值模拟
２ｏ ０年第 期 。 卷第 期） 建筑节能 Ｎｏ．２ ｉｎ ２０１０（ｒｒ０ｔａｌ Ｎｏ．２２８。Ｖｏ１．３８） 一产品与材料 ＰＲ０ＤＵＣＴ＆ＭＡ ｌ＇ＥＲＩＡＬＳ ｄｏｉ：１０．３９６９￣．ｉｓｓｎ．１６７３－７２３７．２０１０．０２．０１３ 泡沫金属／石蜡复合相变材料蓄热过程的数值模拟 刘芳， 于航 （同济大学暖通空调及燃气研究所，上海２０００９２） 摘要：建立了矩形腔体内填充泡沫金属／石蜡的二维蓄热模型，运用体积平均理论建立了数学模型，模拟得出泡沫金属基体填充石蜡 的融化过程温度场、流场及相界面移动规律，并比较了有无泡沫金属，不同孔隙率对石蜡融化过程的影响。 关键词： 泡沫金属； 石蜡； 数学模型； 体积平均理论； 融化； 温度场； 流场 中图分类号：ＴＵ５９９ 文献标志码： Ａ 文章编号： １６７３．７２３７（２０１０）０２．００３８．０３ Ｎｕｍｅｒｉｃａｌ Ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｏｆ Ｍｅｔａｌ Ｆｏａｍ／Ｐａｒａｆｆｉｎ ＭｅＲｉｎｇ Ｐｒｏｃｅｓｓ ＬＩＵ Ｆａｎｇ，ＹＵＨａｎｇ （Ｃｏｌｌｅｇｅ ｏｆＭｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｔｏｎｇｉｉ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｓｈａｎｇｈａｉ ２００９２，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ａ ｔｗｏ－ｄｉｍｅｎｓｉｏｎａｌ ｍｏｄｅｌｆｉｌｌｅｄ ｗｉｔｈｆｏａｍ ｍｅｔａｌ／ｐａｒａｆｆｉｎ ｉｓ ｅｓｔａｂｌｉｓｈｅｄ，ａｎｄ ａ ｍａｔｈｅｍａｔｉｃａｌ ｍｏｄｅｌ ｉｓ ｅｓｔａｂｌｉｓｈｅｄ ｕｓｉｎｇ ｔｈｅ ｖｏｌｕｍｅ ａｖｅｒａｇｉｎｇｔｈｅｏｒｙ，ｔｈｅ ｍｅｔａｌ ｍａｔｒｉｘｆｉｌｌｅｄ ｗｉｔｈ ｐａｒａｊｆｉｎ ＷＯＸ ｍｅｌｔｉｎｇｐｒｏｃｅｓｓ ｉｓ ｓｉｍｕｌａｔｅｄ．Ｆｉｎａｌｌｙ，ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｆｉｅｌｄ，ｆｌｏｗｆｉｅｌｄ ａｎｄ ｔｈｅ ｐｈａｓｅ－ｂｏｕｎｄａｒｙ ｒｎｏｖｅｍｅｒｔｔ ｒｕｌｅｓ ａｖｅ ｏｂｔａｉｎｅｄ，ｃｏｍｐａｒｉｎｇ ｔｈｅ ｎ ｍｅｌｔｉｎｇｐｒｏｃｅｓｓｅｓ ｗｉｔｈ ｏｒ ｗｉｔｈｏｕｔ ｔｈｅ，０讲ｎ ｍｅｔａｌ ａｎｄ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ ｐｏｒｏｓｉｔｙ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｍｅｔａｌ ｆｏａｍ；ｐａｒａｆｆｉｎ ｗａｘ；ｍａｔｈｅｍａｔｉｃａｌ ｍｏｄｅｌ；ｖｏｌｕｍｅ ａｖｅｒａｇｉｎｇ ｔｈｅｏｒｙ；ｍｅｌｔｉｎｇ；ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ｆｉｅｌｄ；ｆｌｏｗ ｆｉｅｌｄ ０ 引言 能源危机以来，相变蓄能的理论基础和应用研究 在世界各国迅速崛起并得到不断发展。泡沫金属内的 传热研究引起了学术界和工程界的极大兴趣，尤其是 对泡沫金属内的对流和相变传热的研究【㈦。目前关于 泡沫金属内的传热研究主要来自国外并集中在常规 的单相换热的研究，而对于建筑领域内具有很强应用 价值的相变储能和相变强化能量交换的研究还很少 有报道。 在工程中经常遇到的主要流态是多孔介质中流 体的层流流动。由于多孔介质中相变融化过程的复杂 性，体积平均理论是处理多孔介质物理模型常用的理 论方法。 １理论模型 将泡沫金属看作多孔介质，其内填充石蜡相变材 料，其物理模型如图１所示，左侧壁面为加热面，其余 ３个面均为绝热面。 建立矩形空间内泡沫金属／石蜡的二维相变传 热模型，取计算区域尺寸为１２０ ｍｍｘ３０ ｍｍ。 针对图１所示的物理模型，作如下简化：①石蜡 纯净、各向同性，在一定的温度范围里发生相变；②石 蜡融化后的流体为牛顿流体，流体为不可压缩流体， 密度符合Ｂｏｕｎｓｓｉｎｅｓｑ假设；③流动为层流，不考虑流 体与固体之间由于传热特性不同引起的局部热不平 衡；④石蜡相变发生在泡沫铝的孔隙中，融化石蜡在 收稿日期：２０１０．０ｌ一２８ 泡沫铝中流动符合Ｄａｒｃｙ－Ｂｒｉｎｋｍａｎ．Ｆｏｒｃｈｈｅｉｍｅｒ方 程；⑤多孔介质各向均匀，同性；⑥忽略由于融化相变 引起的速度变化以及融化引起的表面张力对流动的 影响；⑦物性参数在每相中不随温度变化，在处于熔 融状态时，参数随温度线性变化；⑧由于装置均采用 保温材料保温，热损可以忽略不计。
fluent凝固相变模型
fluent凝固相变模型
Fluent凝固相变模型
引言：
Fluent凝固相变模型是一种用于模拟物质从液态到固态的相变过程的计算模型。该模型基于流体动力学（CFD）方法，并考虑了物质的输运、热传导和相变等过程。在工程领域中，该模型广泛应用于研究和优化凝固过程，例如金属凝固、半导体生长和冷冻食品制造等。
一、Fluent凝固相变模型的原理
Fluent凝固相变模型是基于质量守恒、动量守恒和能量守恒等基本方程进行建模的。在模型中，通过引入凝固速率、凝固热和凝固界面等参数，可以准确地描述物质的凝固过程。模型中的凝固速率方程通常采用Stefan方程或类似的数学形式，用于描述凝固界面的移动速度。
二、Fluent凝固相变模型的关键特点
1. 考虑相变潜热：Fluent凝固相变模型考虑了物质在凝固过程中释放或吸收的相变潜热。这对于准确预测凝固过程的温度分布和相变界面的位置非常重要。
2. 考虑界面传热：Fluent凝固相变模型考虑了凝固界面处的热传导效应。在模型中，通过引入界面传热系数和界面温度跳跃等参数，可以考虑凝固界面处的热传导现象。
3. 考虑物质输运：Fluent凝固相变模型不仅考虑了物质的凝固过程，还考虑了物质的输运过程。在模型中，通过引入扩散系数和输运速率等参数，可以准确地描述物质的输运过程。
4. 考虑晶体生长：Fluent凝固相变模型考虑了晶体生长的过程。在模型中，通过引入晶体生长速率和晶体取向等参数，可以准确地描述晶体生长的动力学行为。
三、Fluent凝固相变模型的应用案例
1. 金属凝固过程模拟：利用Fluent凝固相变模型，可以模拟金属凝固过程中的温度分布、相变界面的位置和晶体生长等行为。这对于优化金属凝固工艺、提高产品质量具有重要意义。
2. 半导体生长过程模拟：Fluent凝固相变模型可以应用于半导体生长过程的模拟和优化。通过模拟生长过程中的温度分布和晶体生长行为，可以预测生长过程中可能出现的缺陷，并采取相应的措施进行修正。
相变微胶囊单体熔化过程的数值模拟研究
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０ 引言相变材料（Phase Change Material，PCM）通过吸收/释放潜热以储存能量，可实现能量在时空上的转换，缓解能源危机。目前，将胶囊封装技术应用于相变材料领域是国内外的研究热点。与普通相变材料相比，相变材料微胶囊化可以增加传热面积、减少与外界环境的反应。相变微胶囊具有良好的储热调温特性，可应用于建筑节能、控温包装等领域。相变过程包含多种复杂的热物理现象，相变微胶囊尺寸很小，而传统实验基本难以观测到微胶囊内部的相变，采用数值方法可以有效解决这一难题。热焓法是被广泛应用的一种数值方法，它是以温度与焓值作为变量，在整个区域内建立统一的能量方程求解。叶会文等运用热焓法研究了相变微胶囊的蓄热特性，发现相变微胶囊的换热效率高，适用于小温差的储热系统[1]。戴晓丽建立了单个相变微胶囊凝固过程的模型，得到胶囊粒径、ste数等对胶囊相变过程的影响规律[2]。郝睿研究了相变微胶囊的壁材对相变过程的影响，发现微胶囊壁材的厚度和导热系数对相变过程有着很大影响[3]。在相变微胶囊的传热过程研究中，目前较少有在微米尺度上预测相变微胶囊内的温度分布、固/液界面等瞬态现象，系统地分析了胶囊粒径、壁材的厚度、壁材的导热系数对相变过程的影响。该文以芯材是石蜡、壁材是密胺树脂的相变微胶囊单体为研究对象，运用热焓法对相变微胶囊的熔化过程进行了数值模拟，预测了微胶囊内的物相分布情况，研究了胶囊粒径、囊壁厚度、壁材的导热系数对相变传热过程的影响，为相变微胶囊在控温包装领域的设计和应用提供了理论指导。１ 模型的建立采用Fluent软件进行模拟仿真。下面介绍其物理模型和计算过程。１．１ 物理模型图1为石蜡相变微胶囊的电镜扫描微观结构图，选取其中的一个单体进行研究，其示意图如图2所示，微胶囊外壁面温度恒定。为了简化计算，对相变微胶囊模型进行5条假设。1）相变微胶囊的囊壁、相变芯材具有均质和各向同性。2）相变材料的物性参数不随温度的变化而变化。3） 忽略胶囊内部的自然对流效应，将相变传热过程简化为纯导热过程。4）液相流动为层流，不可压缩流体。5）整个系统无热量耗散。
带内翅片蓄热装置固-液相变过程的数值模拟
带内翅片蓄热装置固-液相变过程的数值模拟
袁培;郝亚萍;王建军;吕彦力
【摘 要】以带有内翅片的圆柱形相变蓄热单元为研究对象,将石蜡RT82作为相变材料,通过均匀设计方法对翅片个数2～7、翅片厚度0.8～1.3 mm、翅片宽度26 ～ 36 mm、圆柱蓄热管半径38 ～ 48 mm的蓄热单元建立6个模型,模拟研究了其蓄热性能,根据模拟结果优化了蓄热单元结构.模拟结果表明:翅片个数为7、翅片厚度为0.8 mm、翅片宽度为32 mm、圆柱蓄热管半径为46 mm的模型f结构最优,石蜡RT82完全融化所用时间最短,为23 min.
【期刊名称】《华北水利水电学院学报》
【年(卷),期】2016(037)003
【总页数】4页(P89-92)
【关键词】翅片;相变蓄热;均匀设计;石蜡
【作 者】袁培;郝亚萍;王建军;吕彦力
【作者单位】郑州轻工业学院能源与动力工程学院,河南郑州450002;郑州轻工业学院能源与动力工程学院,河南郑州450002;郑州轻工业学院能源与动力工程学院,河南郑州450002;郑州轻工业学院能源与动力工程学院,河南郑州450002
【正文语种】中 文
【中图分类】TV734;TK513.5
相变蓄能是利用相变材料在相变过程中吸收或放出热量来进行蓄能。相变蓄能装置具有体积小、储热密度大和恒温放热等优点，被广泛应用于能源、化工等领域[1-3]。目前关于相变蓄能的研究主要集中在蓄能器结构、蓄能材料及蓄能装置的优化等方面。在蓄能材料方面，石蜡以相变潜热高、几乎没有过冷现象、融化时蒸汽压力低、性能稳定、价格便宜等优点已应用在电厂调峰和太阳能蓄热等方面。石蜡的导热系数小、密度低，在凝固过程中，随着热流沿壁面向内部传递，经过石蜡的液态层越来越厚，其热阻也越来越大，总传热速率减小，故必须采用强化传热技术提高传热率。目前在储热器中使用扩展表面的强化传热技术来提高传热率的效果显著，且其结构简单，受到国内外的关注。Castell等[4]对带有环形内翅片的相变蓄热器进行了研究，指出热媒温度与相变材料相变点的温差越大，翅片间距越小，所需的融化时间越短。此成果表明，通过在蓄热器中增加翅片、改变翅片结构、间距等可以改变蓄热器的蓄、放热方式，对强化相变材料的传热效果十分明显。
热油管道FLUENT模拟
应用精讲 石油工程应用实例
7.1 热油管路温降分析
7.1.1 案例简介与思路分析
我国所产原油80％以上为凝点较高的含蜡原油。目前含蜡原油多采用加热管输的方式。在热油管道运行过程中，不可避免地会因计划性或事故性的原因而发生停输。原油管道的停输再启动，一直是管道安全运行的核心技术问题。由于热油管道大部分都采用埋地敷设，因此在实际生产、运行中对于停输后热油管道以及土壤温度场分布的研究，具有重要的意义和作用。
【案例简介】
本例的输油管为Φ500×6mm钢管，管中心埋深为1.5m，管外保温层厚度10mm，沥青防腐层厚度6mm。由于涉及到与土壤环境的传热问题，需要考虑大地恒温层及管道热力影响区的水平边界来划定土壤区域范围，本例中选择土壤垂深10m，水平方向的热力半径为10m，如图7-126所示。
图7-1 管路温降几何示意图
【思路分析】
在模拟的过程中分别划分出流体区域与固体区域，然后在选择求解器时采用非耦合式隐式算法，打开能量方程，由于存在温度梯度，因此需要编写UDF来定义边界温度。整个模拟计算的流程如图7-127所示。
第 7章
油气田地面工程的应用 2
应用精讲
图7-2 井下节流阀流动模拟流程图 【光盘文件】
——参见附带光盘中的“START\Ch7\7-6.msh”文件。
——参见附带光盘中的“END\Ch7\7-6.cas，6-6.dat”文件。
——参见附带光盘中的“AVI\Ch7\7-6.avi”文件。
第 7章
油气田地面工程的应用 3
应用精讲 7.1.2 几何建模
[1]启动GAMBIT，单击→→，依次创建坐标（0，0，0）、(0.25，0，0)、（0.256，0，0）、（0.266，0，0）、（0.272，0，0）的5个点，如图7-128所示。
图7-3 创建的点
[2]单击→→，打开Move/Copy Vertices对话框，选中之前创建的5个点，选择Copy选项，在Operation选项卡中选择Rotate，在旋转角度Angle中输入90，旋转轴Axis选项保持默认，即围绕z轴旋转，单击按钮即可。在旋转角度Angle中输入-90，其他选项保持不变，单击按钮，得到的点如图7-129所示。
fluent凝固过程模拟
fluent凝固过程模拟
Fluent凝固过程模拟是通过ANSYS Fluent软件来模拟凝固过程的数值模拟方法。数值模拟方法通过建立数学模型和计算方法，对实际的自然界中的流体流动和传热传质等物理现象进行定量描述和预测，从而实现巨大规模和复杂性的工程系统的分析和设计。
在凝固过程中，液体从高温态到低温态的过程中会发生相变，将液体转变为固体。对于金属、陶瓷等材料的凝固过程，Fluent可以提供精确的描述和预测。而对于复杂的非晶态材料，Fluent的凝固模拟同样可以提供有用的信息，以改进材料制备过程和优化材料性能。
Fluent凝固过程模拟的基本原理是基于多相流动和传热传质理论。通过数学模型和相应的计算方法，可以描述液态金属在凝固过程中的流动规律和温度场分布。具体而言，可以采用用于描述流动的Navier-Stokes方程和用于描述传热传质的能量方程和质量守恒方程。
在Fluent的凝固模拟中，需要定义几个关键的物理和数值参数。首先，需要定义材料的物性参数，如热导率、密度和比热等。这些参数将影响凝固过程中的能量传递过程。其次，需要定义边界条件，如入口温度、入口速度和壁面热通量等。这些边界条件将影响材料的凝固速度和凝固结构。
Fluent的凝固模拟可以提供流动场、温度场、凝固率、凝固结构等信息。通过对这些信息的分析和比较，可以优化凝固过程的设计和操作策略。例如，可以控制壁面热通量的分布，以改变凝固结构的均匀性。此外，还可以通过调整流动条件，如入口速度和剪切力，来控制凝固速度和凝固结构。 Fluent的凝固模拟应用广泛，包括金属制造、陶瓷制造、半导体制造等领域。在金属制造中，可以通过模拟铸造过程来改进铸件的凝固结构，提高力学性能和耐腐蚀性。在陶瓷制造中，可以通过模拟烧结过程来优化陶瓷材料的致密性和晶粒尺寸分布。在半导体制造中，可以通过模拟晶体生长过程来优化晶体的质量和晶界特性。
综上所述，Fluent凝固过程模拟是一种利用ANSYS Fluent软件对凝固过程进行数值模拟的方法。它是基于多相流动和传热传质理论的，可以提供流动场、温度场、凝固率、凝固结构等信息。它在金属制造、陶瓷制造、半导体制造等领域具有广泛的应用前景，可以用于改进材料制备过程和优化材料性能。
相变材料系统流程模拟与优化
相变材料系统流程模拟与优化
摘要：本文采用PROII模拟软件，以某炼厂相变材料生产装置减压蒸馏系统为基础，分别研究了回流比、不同塔压、进料位置、进料组成变化等参数对该系统的影响，对减压蒸馏系统在进料组成变化的情况进行了适应性评价。通过合理优化操作条件，在保证相变材料产品质量控制不变的条件下，探索了分离相变材料的合理化工艺路线。
关键词：减压蒸馏；相变材料；操作参数； PROII
储热技术的开发和利用能够有效提高能源综合利用水平，主要应用于热电联产、集中供热、风电消纳以及移动供热等。储热技术的核心和关键是相变材料。近十年来，储能相变材料一直备受关注，人们对相变材料作为热能储存的兴趣几乎呈指数增长，是国际研究的热点。相变材料是指在保持温度不变的情况下发生相变并提供潜热的物质，可用于热量贮存和温度控制领域，对于提高能源利用效率、改善能源结构具有重要意义。烃类物质用作相变材料时，相变潜热与烃类物质的化学组成直接相关，其中正构烷烃含量越高、碳数分布越窄，相变潜热大，优先选用纯正构烷烃作为相变材料几乎是本领域公知的技术[1]。快速开发出n-C12～n-C22等正构烷烃的生产技术以替代进口产品是国内企业不断开发的目标。
1 相变材料系统分离工艺
石油基相变材料的分离可采用减压精馏方式，利用精确馏程切割正构烷烃产品。减压蒸馏在炼化工业主要应用于原油减压装置深拔处理过程，石油基相变材料减压蒸馏可以参考深拔处理流程精确切割产品。
相变材料减压精馏系统主要由减压塔构成，并附加换热器、分离罐、泵等其他设备。蜡液自液蜡原料罐经进料泵转送至减压塔T-01，通过T-01脱除轻组份。T-01塔底物料由泵直接打入减压塔T-02，塔顶产品为NC18。T-02塔底物料由泵打入T-03，T-03分离塔顶产品为NC19。T-03塔底物料由泵打入T-04，T-04分离塔顶产品为NC20。T-04塔底物料送至罐区储存完成切割任务。 2 减压精馏系统流程模拟与分析
金属翅片、骨架强化石蜡相变传热的数值模拟
金属翅片、骨架强化石蜡相变传热的数值模拟
常钊;陈宝明;王惠临;罗丹
【期刊名称】《煤气与热力》
【年(卷),期】2022(42)3
【摘 要】在充满相变材料(石蜡)的矩形腔体内分别添加金属翅片、金属翅片和金属骨架,采用模拟方法研究纯石蜡方腔、含翅片方腔、含翅片(即金属翅片)-骨架(即金属骨架)方腔对腔体内石蜡相变传热的影响。3种方腔内的相变传热过程均为导热与自然对流传热共同作用。含翅片-骨架方腔中的石蜡熔化速率最快,且完全熔化时间最短。含翅片方腔中的石蜡熔化速率最慢,完全熔化时间最长。纯石蜡方腔中的石蜡熔化速率与完全熔化时间居中。相同加热时间,含翅片-骨架方腔的中心线温度分布最均匀,且高于其他两种方腔。含翅片-骨架方腔的中心线平均温度最先达到稳定,然后是纯石蜡方腔,最后是含翅片方腔。在3种方腔中,含翅片-骨架方腔有利于加速石蜡熔化速率,缩短熔化时间。含翅片方腔阻碍自然对流传热,不利于石蜡的相变传热。
【总页数】6页(P22-27)
【作 者】常钊;陈宝明;王惠临;罗丹
【作者单位】山东建筑大学热能工程学院
【正文语种】中 文
【中图分类】TU832.1
【相关文献】 1.铝泡沫和石墨泡沫强化石蜡相变传热的数值模拟2.带翅片的小型平板CPL蒸发器相变传热的数值模拟3.金属骨架断面对石蜡相变传热影响的模拟分析4.不同结构金属翅片对石蜡相变传热的影响5.含不同结构金属骨架石蜡相变传热数值模拟
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含蜡原油在模型环道中温度场的数值模拟
含蜡原油在模型环道中温度场的数值模拟
李男;陈艺彤;李莹
【期刊名称】《北京石油化工学院学报》
【年(卷),期】2018(026)003
【摘 要】结合室内模型环道装置进行蜡沉积实验,应用Fluent软件对环道测试段温度场进行数值模拟计算.模拟了不同壁温、油温条件下管道轴向不同位置内管壁的径向温度场,利用等效导热系数的方法对不同蜡沉积层厚度下管道内管壁的温度分布进行模拟.模拟结果表明,油温与壁温间温度差、蜡沉积层厚度均会对内管壁处温度梯度产生影响;油温与壁温间的温度差越大,内管壁处的温度梯度越大;随着沉积层厚度增加,保温效果变得明显,内管壁处的温度梯度减小.随着轴向位置距离的增加,内管壁的温度梯度值呈现减小的趋势.
【总页数】6页(P46-50,64)
【作 者】李男;陈艺彤;李莹
【作者单位】中国石油大学(北京),北京 102249;中国石油大学(北京),北京 102249;中国石油大学(北京),北京 102249
【正文语种】中 文
【中图分类】TE832
【相关文献】
1.已加工表面热源模型研究及磨削温度场数值模拟 [J], 王德祥;孙树峰;颜丙亮;刘新福;江京亮 2.单晶连铸凝固过程温度场数值模拟(Ⅰ)——温度场的物理模型及数学模型 [J],
范新会
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肋片强化传热储能单元相变过程数值模拟
肋片强化传热储能单元相变过程数值模拟
阮世庭;张济民;曹建光;孙双成;刘冈云
【摘 要】本文对阵列式肋片强化传热的石蜡类相变储能单元进行数值模拟,相变材料储存于阵列式肋片之间,热量通过铝材基座和肋片传递给相变材料.采用十八烷作为数值模拟的相变材料,其熔点是28℃,密度和动力粘度随温度变化,通过改变肋片尺寸以及边界条件研究相变材料的融化过程,通过分析温度场,流场,固-液两相分布探究相变规律,用无量纲参数分析肋片尺寸以及不同边界条件对相变过程的影响.结果表明,受自然对流的影响,随着时间推移,肋片处热流密度先增加后减少,基座处热流密度大幅度升高;相变材料融化后,对流换热是主要的传热方式;对于相变层偏薄的相变储能单元,宜采用小尺寸肋片,相变层偏厚的相变储能单元,宜采用大尺寸肋片.
【期刊名称】《节能技术》
【年(卷),期】2018(036)004
【总页数】8页(P300-307)
【关键词】相变储能;阵列式肋片;融化过程;强化传热;自然对流
【作 者】阮世庭;张济民;曹建光;孙双成;刘冈云
【作者单位】上海卫星工程研究所,上海201109;上海卫星工程研究所,上海201109;上海卫星工程研究所,上海201109;哈尔滨工业大学能源科学与工程学院,黑龙江哈尔滨150001;上海卫星工程研究所,上海201109
【正文语种】中 文
【中图分类】TK02
随着航天技术的发展，载荷的种类越来越多。激光器、SAR天线等载荷具有短时、周期性工作特点，且功率较大[1]。载荷工作时，如果这些热量不及时排散，将会使载荷的温度大幅升高；载荷停止工作后，随着温度的排散，温度又不断下降，导致载荷温度波动较大。采用相变储能装置解决这类载荷热控问题已成为研究的热点，利用相变材料(Phase Change Materials，PCM)融化时吸收大量潜热、凝固时放出大量潜热的特性来稳定这类载荷的温度。
目前，空间应用的相变储能材料一般为石蜡。石蜡类相变储能材料具有可选择相变点范围宽、相变潜热大等诸多优点，在航天器热控领域有良好的运用前景[2～4]。