固態儲熱裝置風場結構優化

朱瑞，劉云亮，王佳典，馬興宇

（中國船舶集團有限公司 第七〇三研究所，哈爾濱 150078）

0 引言

在“2030年碳達峰、2060年碳中和”的國家愿景下，儲能的重要性和地位愈加凸顯。作為儲能技術的一個重要分支，儲熱市場亦將迎來更廣闊的發展空間。固態儲熱產品是一種新型的電儲熱系統，利用低谷電、棄風、棄光、棄水電能，將有效能源轉化為熱能儲存在固態儲熱材料中，并持續向采暖系統或熱水系統均衡釋放，是一種具備區域24 h連續供熱能力的新型熱源。既可以有效利用廉價的低谷電，大幅度降低運行費用，實現了削峰填谷，同時也能夠有效緩解新能源電力消納和調峰壓力，實現了低碳清潔環保供暖，符合國家和地區政策，是電能替代的中堅力量，未來發展前景廣闊。

風場是固態儲熱裝置流動和傳熱特性過程中必不可少的重要結構，采用傳統風場結構，裝置在放熱過程中，整個固態儲熱材料下端較上端熱風流動頻繁，導致出現固態儲熱材料層下端比上端降溫快的現象，裝置流動效果差及傳熱效率低，影響固態儲熱裝置儲熱材料整體利用效率和增加了運維成本。

借鑒汽車行業中對中冷器的性能分析及結構優化，應用到固態儲熱裝置的風場結構優化，亦可分析風場熱風流動及傳熱性能情況，進而提升裝置儲熱材料整體利用效率和降低運維成本。

針對以上情況，利用SolidWorks軟件建立風場的三維模型，應用ICEM軟件對模型簡化清理并進行網格劃分，再通過FLUENT軟件對固態儲能裝置氣體的風場不同尺寸形式進行模擬計算，并在仿真結果的基礎上對中固態儲能裝置氣體的流動和傳熱特性進行分析研究，同時與原風場模擬分析相比較，總結不同尺寸的風場對裝置內部溫度分布的影響，固態儲能裝置風場結構優化是本文的主要研究方向。

1 初始模型建立

1.1 模型選擇

在ANSYS軟件中建立初始仿真計算模型，進行仿真初步模擬，試驗臺和蓄熱磚簡化模型如圖1、圖2所示。為了使優化方案盡可能不對支架造成影響，保證進風口及底部邊不變，對a、b、c、d四邊進行優化（進出風口處斜導風板隨a、b、c、d變化），將9個風道從上到下依次編號為1～9（如圖2），對各個風道中心線處的流速進行計算。

圖1 固態裝置簡圖

圖2 固態裝置簡化模型圖

1.2 湍流模型的選擇

湍流模型主要有SA模型、k-e模型、k-w模型和雷諾應力模型，而能夠很好地適用本裝置的只有k-e模型和雷諾應力模型。k-e模型廣泛地被應用到工程仿真計算中，它能夠很好地處理可壓縮和不可壓縮氣體的湍流仿真計算。模型中的修正系數通過大量試驗數據擬合而成，可以處理包括壓縮性、黏性加熱等多種物理現象。

2 結構仿真分析

2.1 原風場模擬分析

采用ANSYS FLUENT軟件進行數值設定。數值計算過程中，采用流量進口條件，無滑移邊界條件，蓄熱磚空腔壁面溫度為800 ℃，設定進口速度Uin分別為1.2、2.4、3.6、4.8 m/s，導風場壁面為絕熱無滑移邊界條件。采用表1原始參數。采用k-e 湍流模型對其進行數值計算。

表1 原始參數表

圖3 原固態裝置簡化模型圖

經過軟件仿真計算，圖4各風道中線處速度分布，給出了原風場的數值模擬結果，從表2 中可以看出，相同進口風速下，通道1和通道9下端較上端熱風流動頻繁，導致出現固態儲熱材料層下端比上端降溫快的現象，同時在風速為4.8 m/s時，最大差值為1.9875 m/s, 且裝置整體風道內風速遠低于進口風速。

表2 分析結果 m/s

圖4 速度分布云圖

可見風場結構對風速的影響極大，因此優化的目標是提高風場1和2流速并盡量使各個風道流速接近。

2.2 針對原風場結構優化模擬分析

設定與原風場模擬分析相同的ANSYS FLUENT軟件參數數值。對結構a、b數值進行表3的模擬分析，并與原結構(a=250 mm，b=200 mm)進行對比，并生成速度云圖（如圖5）和各風道中線處速度分布（如圖6），通過改變a邊長度，風道流速顯著增加，但是會使最下方風道的流速略微減小；減小b邊的長度可以使最上方風道的流速增加，但是同樣會使最下方風道的流速減小。需要注意的是，b邊的長度太小時，進入風道1下方風道的氣流會形成類似最上方風道的流量大大減小。

表3 變量參數表

圖5 a=0 mm，b=100 mm邊變化時的速度云圖

圖6 a=0 mm，b=100 mm邊變化時各風道中線處速度分布

如表4所示，在表3基礎上改變c、d邊的長度，圖7與圖8給出了c、d邊變化時的導風罩數值模擬結果。經過對比分析可以看出，c邊變化時，上方風道出口空間狹小，出口氣流摻混作用顯著增強，從而使上方風道氣流速度下降，d邊變化時的導風罩數值模擬結果。經過對比可以看出，增大d邊長度可以增大上方風道內空氣流速，減小下方風道內空氣流速。

圖7 c=250 mm，d=200 mm邊變化時的速度云圖

圖8 c=250 mm，d=200 mm邊變化時的各風道中線處速度分布

表4 變量參數表

3 試驗評估

針對原風場結構優化模擬分析，總結風道內空氣流速變化特點：1）對于進風口處導流風場而言，減小a邊長度與減小b邊長度均可以相對提高上方風道內空氣流速，而下方風道內空氣流速會相對降低；2）對于出風口處導流風場而言，減少c邊長度與減小d邊長度均會使上方風道內空氣流速相對降低，下方風道內空氣流速相對提高；3）9號風道(即最下方風道)內空氣流速一直處于一個相對較低的水準。

在對上述四邊進行優化時，可以顯著改變上方風道內流速的大小，而由于9號風道的進出口均離空氣的進出口較近，僅對a、b、c、d四邊進行優化時，9號風道相對流速的變化較小。

經過對a、b、c、d尺寸的反復迭代及比對，最終確定a=0 mm，b=100 mm，c=250 mm，d=200 mm，底部邊長均為400 mm。

4 優化方案試驗

進行與軟件模擬分析相同的實際試驗測試方案，同時在蓄熱體內設置溫度測點，實際采集5個區域的流道內平均空氣流速，分別記為V1～V5。

由表5可以看出，試驗測試風場進出風速在相同進口風速下，通道1和通道5上端和下端熱風流動均勻，在風速為4.8 m/s時，最大差值為0.2493 m/s,且整體風道風速與優化方案軟件分析數據接近。

圖9 優化方案試驗風場結構

表5 優化后試驗數據表 m/s

5 結語

1）應用FLUENT流體分析軟件對固態儲能裝置風場結構進行數值模擬仿真。風場進、出口尺寸影響流動效果及傳熱效率。結合實際應用條件，可通過改變裝置風場結構，形成針對性強的優化方案。

2）通過試驗裝置對優化設計的風場結構進行驗證試驗。結果表明，所采用的仿真計算方法精確度較高，在固態儲能裝置設計中具有較高的應用價值。