FLUENT太阳能空气集热器模拟

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1 前言

太阳能空气集热系统（solar air collector，SAC），结构简单，运行可靠，安装维护方便，无泄漏、堵塞、防冻等问题，使用过程中不存在二次能量转换，集热效率高，因此被广泛用于辅助供暖、制取生活热水、农副产品干燥及溶液除湿等领域[1]。采用CFD模拟太阳能空气集热器是非常可靠的方式，今天我们以参考文献为例，做一个模拟案例。

2 建模与网格

创建如下的太阳能空气集热器三维模型，包含了集热器的基本结构，如底部集热板，顶部玻璃隔层和中间折流板等。

划分六面体结构化网格，节点数约180万。

3 边界条件与求解设置

由于流体在流动过程中发生多次180°偏转，易出现流动分离，因此湍流模型选取Realizable k-ε模型，与k-ε系列中的其他模型相比，它在负压力梯度流动、分离流及复杂二次流的预测方面更具有优势[1]。

集热器内部的传热过程较为复杂，忽略次要因素，其换热过程主要包括集热板与腔内空气的对流换热，集热板与玻璃盖板的辐射换热，玻璃盖板与两侧空气的对流换热以及玻璃盖板与外界环境的辐射换热。其中，集热板与玻璃盖板的辐射换热模拟采用 surface to surface（S2S）模型[1]。

集热器入口设置为速度入口，速度值10m/s，温度15℃。

出口设置为压力出口，表压0Pa。

底部集热板设置为恒热流边界，表征吸收的太阳能辐射强度。

顶部玻璃隔层设置为混合边界，注意我们用薄壁模型模拟了玻璃隔层，厚度4mm，如果采用实体建模，则网格数量会产生不必要的增加。

其他壁面为绝热面。

本案例还考虑了浮升力，采用Boussinesq假设，由于集热器安装倾角45°，因此重力采用分项设置。

对亚松弛因子进行了适当调整。

4 计算结果

我们先看一下水平中间截面的空气温度分布和速度分布，靠近出口处的温度达到了56℃。

我们读取一下能量报表，可以看出空气带走了1530W当中的1218.6W，集热效率为79.6%。需要指出的是，空气的流量会显著影响集热效率，设想一个极端情况：空气不流通，集热板吸收的所有太阳能都将从顶部玻璃隔板损失到环境中。当然，并不是空气流量越大越好，流量越大，风机能耗也越大，也会产生较大的气动噪声。

参考文献

[1] 开孔型折流板太阳能空气集热器参数优化