太阳能热利用系统中的热浮力对流传热和掺混机理研究

This project deduces two closely relevant key fundamental problems from the heat transfer by thermal buoyant convection and mixing phenomena which are ubiquitous in solar thermal applications, that is, the heat transfer by thermal buoyant natural convection in cavities under non-uniform and unsteady heating conditions at boundaries, and the mixing caused by thermal buoyant jets of unsteady inlet velocity and temperature when they are ejected into ambient fluids. This project undertakes a thorough investigation into these two key problems by using the cutting-edge DNS and LES numerical simulation techniques, advanced scaling analysis and energy balance analysis theoretical methods, and various experimental tools, and as an example of comprehensive applications also studies the heat transfer by thermal buoyant natural convection and mixing mechanism in all-glass evacuated-tube solar collectors under real operational conditions. The outcomes of this investigation will reveal underpinning physics of hear transfer by thermal buoyant natural convection and mixing processes in solar thermal applications, the generation mechanism of turbulence under the effect of thermal buoyancy, and the multi-scale flow and composite heat and mass transfer processes, which will provide the scientific evidence and theoretical basis for optimized designs and large-scale applications and add new contents for heat transfer and fluid mechanics. Hence this investigation is of significant scientific importance and theoretical values.

针对太阳能热利用中普遍存在的热浮力传热和掺混现象，本项目提炼出与之密切相关的两个关键基础科学问题，即非均匀和非定常边界受热条件下腔体内的热浮力自然对流传热和具有非定常入射速度和温度的热浮力射流对腔体内分层流体的掺混作用。利用目前处于研究前沿的DNS和LES计算流体力学研究手段以及先进的标度分析、能量平衡以及能耗分析等理论研究方法，并配合各种实验测试研究手段对所提炼出的这两个关键基础科学问题进行全面深入的研究，并作为综合应用实例也将研究在真实的应用运行条件下全玻璃真空管太阳热水器内热浮力自然对流传热和掺混作用规律。研究结果将揭示出太阳能热利用中热浮力对流传热和掺混作用的内在规律和湍流在热浮力作用下的形成机制以及多尺度流动和复合传热传质过程的内在规律，为太阳能热利用方式优化设计和其规模化高效推广应用提供科学依据和理论基础，也为传热学和流体力学增添新的重要内容，因而具有重要的科学意义和理论价值。

对太阳能热利用中的热浮力传热和掺混作用规律的深入细致研究不仅是诸多太阳能热利用方式优化设计中急需解决的重要科学问题和规模化高效推广应用的关键所在，也是了解湍流在热浮力作用下的形成机制和多尺度流动和复合传热传质过程内在规律的重要途径。本项目利用直接数据模拟和实验结合的方法，结合太阳能产品及工程应用实际，对（1）在非均匀和非定常边界受热条件下各种倾角放置的多种矩形腔体内和圆柱腔体内热浮力自然对流传热的内在规律进行了较全面和充分的研究，建立了热浮力对流流动和传热特性的物理模型，得到了热性能参数、对流传热特性与运行条件及结构参数之间的关系，对部分腔体结构参数进行了优化；（2）对具有变化的入射速度和温度的热浮力射流的圆柱型腔体、圆环型腔体、及负浮力射流在分层流体的掺混作用规律行了全面研究，了解了射流与环境流体之间的掺混程度与各种相关参数之间的定量关系和湍流和热浮力的相互作用，以及湍流在浮力流动中的独特形成机制，得到了腔体内的流动换热特性、系统热性能与腔体结构参数、运行参数的关系，结合实际应用，对部分腔体的结构进行了优化分析；（3）对系统热性能参数以实际应用运行条件下的全玻璃真空管太阳热水器和集热器为研究对象，在各种运行条件下处于不同倾角及结构的真空管太阳热水器内的非稳态三维热浮力对流传热流动动力学行为和掺混作用进行全面深入研究，得到了真空管吸热面上所吸收的太阳辐射分布规律及真空管内管长度、直径、放置倾角、储热水箱的结构和几何尺寸等对水箱及真空管内流动、换热以及系统热性能的影响规律，获得了一些优化的设计参数。所取得详实的研究成果无疑会对我国的太阳能热利用及产品优化和高效应用提供科学依据和工程设计参考，也为传热学和流体力学增添新的重要内容。