基于Fluent的风力致热装置内部流场模拟研究
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摘 要：针对风力致热能量转化方式，提出新型搅拌致热罐。利用阻尼孔将装置分为4层，采用六折叶开启涡轮式叶片对工质进行搅拌致热。利用CFD软件Fluent对该搅拌致热罐内部流场进行了数值模拟计算，通过控制搅拌器转速的不同，研究内部流场的变化规律。通过验证对比实验，实测温度与模拟温度相对误差约为0.073，说明模拟过程中设置合理。研究结果表明，该设计在风速为12m/s时满足预期目标产热;当风速较低时通过采用辅助热源也可以达到要求。
关键词：风力致热;有限元分析;搅拌器
Abstract： According to the energy conversion mode of wind heating， a new type of stirring heating tank is proposed. The device is divided into four layers using a damping hole， and a 6-folded blade is used to open the turbine blade to stir the working medium to heat. The internal flow field of the stirring heating tank is numerically simulated by using the CFD software Fluent， and the changing law of the internal flow field is studied by controlling the rotational speed of the agitator. Through the verification and comparative experiment， the relative error between the measured temperature and the simulated temperature is about 0.073， indicating that the setting in the simulation process is reasonable. The results show that the expected heat generation target can be realized by this design when the wind speed is 12 m/s， and it can also be achieved using auxiliary heat sources when the wind speed is low.
引言
我国风资源丰富，全国平均风功率密度为100W/m2。而大多数利用方式偏向于风力发电，但是由于风力发电对风速要求较高造成了不少风资源的浪费，能量转化效率最高35%。风能热利用将风力机输出的机械能转化为热能，通过热泵为热用户提供热量，这种利用方式更符合能量梯级利用。风力致热是将风能通过风力机收集后，将机械能传送至搅拌桶，通过搅拌工质的方式将风能转化为热能，能量利用效率为40%[1]。
沈阳工业大学在1985年研制了一台20kW的油压式风力致热系统。吴书远[2]等通过分析致热原理和过程，对风力机与致热器的匹配做出研究，得出最佳匹配公式。寇鹏[3]设计了风力直接搅拌致热装置，并在自然风中进行实验，证明了风力致热的可行性。Melissa R.Elkinton[4]通过调查美国风能和太阳能热力系统，设计建造了相对应的七个风力涡轮致热模型。结果表明与传统天然气供暖的房屋相比，小型风光互补供暖系统通常更加昂贵，但是在大型系统下风光互补系统更具有优势。郭宇[5]对比了17种不同工质在300～500rpm转速范围下的致热效果，得出石蜡油与水1：1配比下致热效率最高。
随着计算流体力学（computational fluid dynamics，CFD）理论研究的不断发展，CFD被应用于许多复杂流场计算中。fluent作为CFD主要仿真软件之一有着十分强大的功能，本文基于fluent对风力致热搅拌桶内部流场进行仿真模拟，研究结果对提高风力搅拌致热效率提升有一定参考依据。
1 模型的建立与验证
使用Solidworks对文献[5]中相应的实验模型进行1：1等比例建模，如图1所示。
实验中致热蓄热罐内径为425mm，罐高450mm，罐内壁装有长50mm、厚度为10mm的阻流板4片，对称安装在罐内;实验中搅拌器为六直叶圆盘涡轮叶片，转盘直径为280mm，每片叶片长60mm，宽度为50mm，厚6mm，攪拌器模型如图1（b）所示。
几何模型进行网格划分。由于存在高速旋转域，所以将网格分为静网格与动网格两部分。动网格部分主要为旋转叶片所在的部分，由于这部分变化快对其进行细化。共有元素121656个网格，总节点数为20372，网格质量较好，没有负体积网格出现可以计算。计算选择瞬态计算;打开能量方程，使用k-ω湍流模型，勾选模型中的粘性热力;设置边界条件后初始化进行计算。
对实验中的两种工质水、46#抗磨液压油在搅拌致热罐内升温状况进行模拟，二者物性如表1所示。
对两种物质在300rpm、400rpm、500rpm转速下进行模拟，模拟选取的温度点与实验中的测点位置相同，模拟升温结果与文献升温结果相互对比如图2所示。
通过图2模拟数据与实验数据对比可以发现，二者有较好的复合。在搅拌器的转动下，工质通过摩擦、流动等将搅拌器的动能转化为热能升温。模拟结果与实验数据非常接近，证明了采用CFD的可靠性。
2 致热罐有限元分析
2.1 几何模型的建立
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