畢月虹， 吳 娟， 魯一涵

(1.北京工業(yè)大學(xué)城建學(xué)部， 北京 100124； 2.綠色建筑環(huán)境與節(jié)能技術(shù)北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 北京 100124)

經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展和人們生活水平的不斷提高，造成了環(huán)境污染日益加劇. 目前，我國(guó)的空氣污染主要集中在華中華北地區(qū)，重度霧霾主要發(fā)生在北方冬季[1]. 到2016年底，我國(guó)北方地區(qū)城鄉(xiāng)建筑取暖總面積約206億m2，燃煤取暖面積約占總?cè)∨娣e的83%，以燃煤為主的供暖結(jié)構(gòu)，是造成北方地區(qū)冬季霧霾頻發(fā)的誘因之一[2]. 電能作為一種清潔能源，采用固體電蓄熱裝置作為熱源，可以有效減少因傳統(tǒng)燃煤造成的環(huán)境污染，是解決冬季供暖污染問(wèn)題的有效途徑，同時(shí)，電加熱固體儲(chǔ)能技術(shù)通過(guò)將非峰值電轉(zhuǎn)化為熱能存儲(chǔ)起來(lái)，可以實(shí)現(xiàn)電力調(diào)峰.

已有的文獻(xiàn)中大多采用實(shí)驗(yàn)和數(shù)值模擬等方法，研究集中在蓄熱材料選擇、蓄熱裝置結(jié)構(gòu)、電加熱裝置的布置等方面. 目前固體電加熱儲(chǔ)能裝置的蓄/放熱性能還有待改進(jìn)，在實(shí)際應(yīng)用中由于蓄熱體的導(dǎo)熱性能差，其熱量無(wú)法實(shí)現(xiàn)高效存儲(chǔ)與釋放，造成電熱元件和靠近電熱元件的磚體由于熱量堆積而損壞，降低了電熱元件和蓄熱磚的使用壽命. 開(kāi)發(fā)熱導(dǎo)率大的蓄熱材料是解決上述問(wèn)題的一種途徑[3-5]，考慮到新的蓄熱材料往往由于其制作方法復(fù)雜和成本較高，難以得到大范圍的推廣. 蓄熱磚作為儲(chǔ)能裝置的基本組成單元，研究蓄熱磚的孔道結(jié)構(gòu)和進(jìn)口空氣流速對(duì)改善電加熱儲(chǔ)能裝置的溫度分布和提高其蓄/釋熱性能同樣具有重要的意義.

Lizarraga-Garcia等[6]以具有嵌入式管式熱交換器的固體儲(chǔ)能系統(tǒng)為研究對(duì)象，分析了傳熱結(jié)構(gòu)和操作策略(層流和湍流)對(duì)固體蓄熱模塊傳熱性能的影響，得出添加傳熱結(jié)構(gòu)的蓄熱模塊在湍流狀態(tài)下，放熱效率、放熱時(shí)間以及蓄熱成本最優(yōu). Jian等[7]采用改進(jìn)的集總參數(shù)法，提出了一種既考慮儲(chǔ)熱量又考慮材料成本的固體儲(chǔ)能模塊設(shè)計(jì)方法，結(jié)果表明單位存儲(chǔ)容量的材料成本僅受能量利用率和圓柱形存儲(chǔ)模塊的內(nèi)外半徑比的影響. 胡思科等[8-10]對(duì)以氧化鎂為蓄熱材料的固體蓄熱裝置進(jìn)行了仿真研究，分析了蓄熱體的孔形、孔數(shù)、孔道的布置方式及蓄熱體的串、并聯(lián)組合形式對(duì)其蓄/放熱性能的影響，結(jié)果表明圓形孔道相比方形孔道蓄熱更快，橢圓豎向布置比圓形和橢圓橫向布置蓄熱更快，蓄熱體串聯(lián)有利于均衡放熱. 鞠亮亮等[11]對(duì)氧化鎂耐火磚的形狀和排布進(jìn)行研究，分析比較了蓄熱過(guò)程中不同寬高比矩形孔道耐火磚順排和不同長(zhǎng)短半軸橢圓形孔道耐火磚交叉排布的熱性能. 蘇馳[12]從蓄熱材料和結(jié)構(gòu)方面出發(fā)，以蓄熱率、表面溫度、出風(fēng)口溫度作為評(píng)價(jià)指標(biāo)，對(duì)固體蓄熱裝置的蓄熱材料、蓄熱通道寬度、蓄熱通道高度、保溫板厚度和出風(fēng)口結(jié)構(gòu)等進(jìn)行優(yōu)化. 東北大學(xué)的張雪平等[13]基于某企業(yè)實(shí)際運(yùn)行的固體電蓄熱裝置，建立了熱- 流- 固三維耦合傳熱數(shù)學(xué)模型，分析了蓄熱裝置的溫度場(chǎng)和應(yīng)力場(chǎng)，對(duì)比了3種不同孔隙率、電熱絲排布方式對(duì)蓄熱體溫度分布均勻性和熱膨脹量的影響.

本文結(jié)合工程實(shí)際中的蓄熱磚結(jié)構(gòu)，基于流固耦合換熱原理，利用ANSYS有限元分析軟件中的Workbench模塊，對(duì)不同結(jié)構(gòu)固體蓄熱單元的蓄/釋熱過(guò)程進(jìn)行仿真研究，分析和比較了蓄熱磚孔道結(jié)構(gòu)和進(jìn)口空氣流速等參數(shù)對(duì)蓄熱單元蓄/釋熱性能的影響，研究結(jié)果為蓄熱磚孔道結(jié)構(gòu)的優(yōu)化及進(jìn)口空氣流速的選擇提供一定參考依據(jù).

1 物理模型

本文結(jié)合工程實(shí)際中的蓄熱磚，磚體結(jié)構(gòu)如圖1所示，磚體尺寸為240 mm×90 mm×150 mm，在保持蓄熱磚體積和通風(fēng)孔道總橫截面積不變的情況下，改變矩形孔道和半圓形孔道的尺寸，得到4種結(jié)構(gòu)的蓄熱磚，其中矩形孔道的寬高比(L∶H)有 2∶1、8∶1和18∶1三種類型. 磚體孔道結(jié)構(gòu)的幾何參數(shù)如表1所示.

表1 蓄熱磚通風(fēng)孔道的幾何參數(shù)

圖1 蓄熱磚結(jié)構(gòu)示意圖

為了簡(jiǎn)化計(jì)算，蓄熱單元物理模型建立過(guò)程中作出如下假設(shè)[13-14]：

1) 蓄熱材料和電熱絲材料為均相介質(zhì)，熱物性參數(shù)已知且恒定.

2) 電熱絲的橫截面積相對(duì)于整個(gè)蓄熱單元而言非常小，為了便于劃分網(wǎng)格，將其看作棒熱源處理.

3) 蓄熱單元的外壁面絕熱，與環(huán)境沒(méi)有熱量交換.

4) 在蓄熱單元的蓄/釋熱過(guò)程，空氣流入方向與蓄熱單元入口截面垂直.

整個(gè)蓄熱裝置各部分溫度分布大致相同，因此可以從蓄熱裝置中選取一個(gè)蓄熱單元進(jìn)行模擬分析，為了便于放置電熱絲，選取成對(duì)的氧化鎂蓄熱磚組成的蓄熱單元，將電熱絲放置在由縱向半圓孔道對(duì)接組成的圓形孔道中.采用Workbench自帶的三維建模軟件DesignModeler，分別對(duì)4種結(jié)構(gòu)的蓄熱單元進(jìn)行建模，其中模型2的簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)如圖2所示.

圖2 蓄熱單元的物理模型(模型2)

2 數(shù)學(xué)模型

2.1 控制方程

電加熱固體儲(chǔ)能裝置在蓄熱時(shí)包含3種傳熱過(guò)程，即電熱絲與蓄熱單元之間的輻射換熱，空氣與蓄熱單元、電熱絲的耦合對(duì)流換熱，蓄熱單元內(nèi)部的熱傳導(dǎo)[15].釋熱時(shí)只有空氣與蓄熱單元的耦合對(duì)流換熱和蓄熱單元內(nèi)部的熱傳導(dǎo)，根據(jù)電加熱固體儲(chǔ)能裝置的傳熱原理，建立如下控制方程[13-14,16].

1) 流體域控制方程

質(zhì)量守恒方程：

(1)

動(dòng)量守恒方程：

(2)

能量守恒方程：

(3)

式中：ρf為空氣的密度，kg/m3；vf為空氣的流速，m/s；hf為空氣的焓，kJ/kg；p為壓強(qiáng)，Pa；μf為空氣的動(dòng)力黏度，kg/(m·s)；I為單位張量；λf為空氣的導(dǎo)熱系數(shù)，W/(m·K)；τf為剪切力張量；Sf為內(nèi)熱源.

2) 固體區(qū)域控制方程

在蓄熱單元內(nèi)部只有熱傳導(dǎo)過(guò)程，滿足導(dǎo)熱微分控制方程

(4)

式中：ρs為蓄熱單元的密度，kg/m3；Cs為蓄熱單元的比熱容，J/(kg·K)；Ts為蓄熱單元的溫度，K；λs為蓄熱單元的導(dǎo)熱系數(shù)，W/(m·K)；qv為蓄熱單元內(nèi)部體積熱源，W/m3.

3) 流固耦合界面方程

流動(dòng)的空氣與蓄熱單元之間滿足流固耦合關(guān)系

Tf=Ts|(溫度連續(xù))

(5)

(6)

式中：Tf為空氣溫度，K；qf和qs分別為流- 固交界面上空氣側(cè)和蓄熱體側(cè)的熱流密度，J/(m2·s)；n為流- 固交界面法向量.

利用雷諾數(shù)可判斷空氣的流動(dòng)是層流或湍流，雷諾數(shù)的計(jì)算公式為

(7)

式中d為特征長(zhǎng)度，m.

2.2 初始及邊界條件

蓄熱時(shí)，電熱絲恒功率加熱，電熱絲單位體積發(fā)熱功率設(shè)為1.305 4×107W/m3.為防止蓄熱體局部過(guò)熱，向蓄熱體通入適量空氣，空氣流速為0.1 m/s，入口溫度為293 K，空氣采用速度入口和壓力出口邊界條件.通過(guò)計(jì)算4種結(jié)構(gòu)蓄熱單元的空氣雷諾數(shù)，得知換熱介質(zhì)空氣的流動(dòng)均屬于層流.蓄熱單元的初始溫度均勻?yàn)?23 K，四周壁面采用絕熱無(wú)滑移邊界條件.蓄熱過(guò)程中電熱絲溫度較高，需要考慮電熱絲與蓄熱單元之間的輻射換熱，本文選用DO輻射模型[13]，初始化選擇從速度入口開(kāi)始，總的蓄熱時(shí)間為43 200 s.為了使迭代便于收斂，開(kāi)始時(shí)間步長(zhǎng)設(shè)為0.01 s，計(jì)算一段時(shí)間后，時(shí)間步長(zhǎng)設(shè)為100 s，鎂磚和電熱絲材料的熱物理性能參數(shù)如表2所示.

地毯一般是用來(lái)裝飾的，然而日積月累，地毯本身會(huì)滋生很多細(xì)菌、螨蟲和灰塵等，會(huì)對(duì)人的健康產(chǎn)生不好的影響。這張線圈式可加熱地毯能夠連接到發(fā)熱片上，把水加熱至60℃以上將細(xì)菌殺死，還你一張健康美觀的地毯。

表2 熱物理性能參數(shù)表

釋熱時(shí)，電熱絲停止加熱，空氣流速設(shè)為1.5 m/s，經(jīng)計(jì)算得到模型4的空氣雷諾數(shù)最小，數(shù)值為2 044，4種結(jié)構(gòu)蓄熱單元的空氣流動(dòng)均屬于湍流，采用標(biāo)準(zhǔn)k-ε方程求解[15].蓄熱單元的初始溫度采用蓄熱結(jié)束時(shí)蓄熱單元的溫度，四周壁面采用絕熱無(wú)滑移邊界條件，釋熱過(guò)程不考慮熱輻射，總的釋熱時(shí)間為43 200 s，時(shí)間步長(zhǎng)的設(shè)置與蓄熱過(guò)程一致.

2.3 網(wǎng)格無(wú)關(guān)性驗(yàn)證

網(wǎng)格的數(shù)量決定了數(shù)值模擬結(jié)果的準(zhǔn)確性，利用Meshing對(duì)模型2進(jìn)行網(wǎng)格劃分，劃分的網(wǎng)格數(shù)分別為39 198、84 189和148 271.通過(guò)對(duì)蓄熱單元進(jìn)行數(shù)值模擬，得到不同網(wǎng)格數(shù)下蓄熱單元平均溫度隨蓄熱時(shí)間變化的曲線，如圖3所示.3種網(wǎng)格數(shù)的蓄熱單元平均溫度的變化曲線基本重合,為了提高計(jì)算機(jī)的效率，在保證模擬精度的前提下，選擇39 198網(wǎng)格數(shù)進(jìn)行研究.

圖3 不同網(wǎng)格數(shù)下蓄熱單元平均溫度隨蓄熱時(shí)間的變化

3 蓄熱數(shù)值模擬結(jié)果與分析

3.1 不同結(jié)構(gòu)蓄熱單元溫度場(chǎng)的比較

在相同邊界條件下，對(duì)4種結(jié)構(gòu)蓄熱單元進(jìn)行蓄熱過(guò)程的流固耦合數(shù)值模擬，觀察4種結(jié)構(gòu)的蓄熱單元在蓄熱結(jié)束時(shí)刻截面(z=0.225 m)溫度場(chǎng)的變化，用Fluent模擬出的蓄熱單元截面溫度分布云圖如圖4所示.

圖4 蓄熱單元截面(z=0.225 m)溫度分布云圖(蓄熱結(jié)束)

由蓄熱單元的溫度分布云圖可以看出，在靠近電熱絲通道的區(qū)域，蓄熱單元的溫度較高，距離電熱絲越遠(yuǎn)的區(qū)域，溫度越低，蓄熱單元內(nèi)部出現(xiàn)溫度分層現(xiàn)象.這是因?yàn)樾顭釙r(shí)電熱絲通過(guò)輻射和對(duì)流將熱量傳遞到蓄熱單元的通道內(nèi)側(cè)，熱量通過(guò)導(dǎo)熱的方式繼續(xù)由蓄熱單元的內(nèi)側(cè)向外側(cè)傳遞，熱量的傳遞需要時(shí)間，因此遠(yuǎn)離電熱絲的區(qū)域形成低溫區(qū)；蓄熱43 200 s，模型1中靠近電熱絲通道表面的溫度值最高可達(dá)883 K，與遠(yuǎn)離電熱絲通道區(qū)域的溫差值最大為37 ℃.在添加矩形孔道后，蓄熱單元的溫度分布不均勻性得到改善，靠近電熱絲區(qū)域的局部高溫值降低，隨著矩形孔道寬高比從2∶1增大到18∶1，局部高溫值由870 K降低到857 K.這是因?yàn)樵谛顭岽u上添加矩形孔道后，空氣和矩形孔道表面進(jìn)行對(duì)流換熱，矩形孔道周圍區(qū)域與電熱絲通道周圍區(qū)域的溫差增大，熱量在蓄熱單元內(nèi)部的傳遞速度加快.隨著矩形孔道寬高比增加，空氣與矩形孔道的換熱面積增大，換熱增強(qiáng)，熱量從電熱絲周圍的高溫區(qū)域傳遞到蓄熱單元邊界的速度加快，因此在蓄熱磚上添加矩形孔道能夠有效降低熱量的局部堆積，避免熱應(yīng)力集中給蓄熱單元帶來(lái)的不利影響.

3.2 電熱絲的平均溫度比較

圖5為不同結(jié)構(gòu)蓄熱單元的電熱絲平均溫度隨蓄熱時(shí)間的變化.

圖5 電熱絲平均溫度隨蓄熱時(shí)間的變化

由圖5可知，在相同孔道橫截面積下，不同孔道結(jié)構(gòu)蓄熱單元的電熱絲對(duì)應(yīng)的平均溫度變化曲線上升趨勢(shì)相同.在通電加熱初期，電熱絲溫度迅速升高至850 K，之后電熱絲的溫升速率驟降，隨著時(shí)間的推移，電熱絲的溫度開(kāi)始逐漸升高.這是因?yàn)殡姛峤z通電加熱后產(chǎn)生的熱量主要通過(guò)輻射和對(duì)流的方式傳遞給蓄熱單元，加熱初始階段，電熱絲溫度較低，與蓄熱單元的輻射換熱量可以忽略，電熱絲的溫度迅速升高，隨后更多的熱量開(kāi)始通過(guò)輻射和對(duì)流傳遞給蓄熱單元.

3.3 蓄熱單元平均溫度及溫升速率的比較

圖6為不同結(jié)構(gòu)蓄熱單元平均溫度及溫升速率隨時(shí)間的變化.在蓄熱0～15 000 s，4種結(jié)構(gòu)蓄熱單元的平均溫度及溫升速率隨蓄熱時(shí)間的變化曲線基本重合，蓄熱單元平均溫度的上升趨勢(shì)體現(xiàn)了鎂磚良好的蓄熱特性，之后模型1的平均溫度及溫升速率逐漸高于帶有矩形孔道的蓄熱單元，并且矩形孔道寬高比越大，蓄熱單元的平均溫度及溫升速率越低，表明了不同結(jié)構(gòu)蓄熱單元的蓄熱能力不同.到蓄熱結(jié)束時(shí)刻，模型1的平均溫度最高，溫度為869 K，模型4的平均溫度最低，溫度為843 K.在整個(gè)蓄熱過(guò)程中，溫升速率先迅速升高再逐漸降低，其原因是蓄熱初期溫差較大，導(dǎo)致傳熱量較大，傳熱速率較快，隨著蓄熱的進(jìn)行，蓄熱單元平均溫度逐漸升高，與電熱絲的溫差減小，根據(jù)傳熱學(xué)理論，蓄熱單元與電熱絲的輻射換熱減弱.

圖6 蓄熱單元平均溫度及溫升速率隨蓄熱時(shí)間的變化

3.4 空氣換熱量及出口空氣溫度的比較

φ=qmCp(t″f-t′f)

(8)

式中：qm為空氣的質(zhì)量流量；Cp為空氣的比熱容；t′f、t″f分別為通風(fēng)孔道進(jìn)、出口空氣溫度.

圖7、8分別為不同結(jié)構(gòu)蓄熱單元的空氣換熱量、出口空氣溫度隨蓄熱時(shí)間的變化.不同結(jié)構(gòu)蓄熱單元的空氣換熱量與出口空氣溫度隨時(shí)間的變化具有一致性.在蓄熱約7 200 s前，模型1的空氣換熱量和出口空氣溫度略高于其他3種結(jié)構(gòu)蓄熱單元，這是因?yàn)槟Ｐ?受熱量堆積的影響較大，靠近電熱絲通道區(qū)域的溫度高于另外3種結(jié)構(gòu)的蓄熱單元，與空氣的換熱較強(qiáng).隨著時(shí)間的推移，添加矩形孔道蓄熱單元的空氣換熱量和出口空氣溫度開(kāi)始逐漸高于模型1，并且隨著矩形孔道寬高比增加，這種差距逐漸增大，原因是添加矩形孔道的蓄熱單元因換熱面積增加所帶來(lái)的換熱增強(qiáng)效果抵消了模型1因電熱絲通道區(qū)域的溫度較高所帶來(lái)的換熱增強(qiáng)效果.

圖7 空氣換熱量隨蓄熱時(shí)間的變化

圖8 出口空氣溫度隨蓄熱時(shí)間的變化

4 釋熱數(shù)值模擬結(jié)果與分析

4.1 不同結(jié)構(gòu)蓄熱單元溫度場(chǎng)的比較

釋熱結(jié)束時(shí)刻，不同結(jié)構(gòu)蓄熱單元截面(z=0.225 m)溫度場(chǎng)如圖9所示.

圖9 蓄熱單元截面(z=0.225 m)溫度分布云圖(釋熱結(jié)束)

從溫度分布云圖可以看出，靠近通風(fēng)孔道的區(qū)域溫度較低，隨著與通風(fēng)孔道的距離增加，溫度逐漸升高.模型1的最高溫度為495 K，模型4的最高溫度為378 K，模型1、2、3、4的最高溫度與最低溫度之間的差值分別為15、7、5、3 ℃.即添加矩形孔道能夠有效減小蓄熱單元內(nèi)部溫度分布的不均勻性，并且有利于蓄熱單元內(nèi)部熱量的充分釋放.

4.2 蓄熱單元平均溫度及溫降速率的比較

圖10、11分別為在進(jìn)口空氣流速v=1.5 m/s，不同結(jié)構(gòu)蓄熱單元平均溫度和溫降速率隨釋熱時(shí)間的變化.

由圖10、11可知，在釋熱結(jié)束時(shí)刻，模型1的平均溫度最高，達(dá)到488 K，模型4的平均溫度最低，為376 K，在添加矩形孔道后，蓄熱單元平均溫度下降速度加快，矩形孔道寬高比越大，對(duì)應(yīng)的溫降速率越大.原因是在釋熱過(guò)程中，蓄熱單元平均溫度不斷降低，蓄熱單元與換熱介質(zhì)的換熱溫差減小，傳熱速率降低，并且矩形孔道寬高比越大，換熱介質(zhì)與蓄熱單元的傳熱面積越大，相同時(shí)間釋放的熱量越多，蓄熱單元的溫度降低越快.在釋熱0～36 000 s，模型1的溫降速率最低，之后模型1的溫降速率開(kāi)始高于其他3種模型，這是由于模型1的平均溫度與換熱介質(zhì)的溫差較高，抵消了其他3種結(jié)構(gòu)蓄熱單元因換熱面積增加所帶來(lái)的換熱增強(qiáng)效果.

圖10 蓄熱單元平均溫度隨釋熱時(shí)間的變化

圖11 蓄熱單元溫降速率隨釋熱時(shí)間的變化

4.3 不同結(jié)構(gòu)蓄熱單元空氣換熱量的比較

圖12為在進(jìn)口空氣流速為1.5 m/s，不同結(jié)構(gòu)蓄熱單元的空氣換熱量隨釋熱時(shí)間的變化.不同結(jié)構(gòu)蓄熱單元的空氣換熱量隨釋熱時(shí)間的變化趨勢(shì)一致，隨著釋熱時(shí)間的增加，4種結(jié)構(gòu)蓄熱單元的空氣換熱量的差別逐漸增大，釋熱約25 000 s，不同結(jié)構(gòu)蓄熱單元的空氣換熱量之間的差值基本達(dá)到穩(wěn)定.到釋熱結(jié)束時(shí)刻，矩形孔道寬高比為18∶1的模型4的空氣換熱量最多，達(dá)到39 108 kJ，比不加矩形孔道的模型1的空氣換熱量多了22%，這是因?yàn)樵诒３滞L(fēng)孔道總橫截面積一定的情況下，添加矩形孔道后，孔道的當(dāng)量直徑減小，表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)提高，空氣與蓄熱單元的換熱增強(qiáng).

圖12 蓄熱單元空氣換熱量隨釋熱時(shí)間的變化

4.4 進(jìn)口空氣流速對(duì)不同結(jié)構(gòu)蓄熱單元的影響

圖13為不同結(jié)構(gòu)蓄熱單元平均溫度降低到323 K所需的釋熱時(shí)間隨不同進(jìn)口空氣流速的變化.從圖13可以看出，同一蓄熱單元，隨著進(jìn)口空氣流速的增加，蓄熱單元平均溫度降低到323 K所需要的釋熱時(shí)間變短.釋熱時(shí)間的主要影響因素是由蓄熱單元內(nèi)部的導(dǎo)熱熱阻和傳熱介質(zhì)空氣與蓄熱單元之間的換熱熱阻決定的，隨著空氣流速增大，傳熱介質(zhì)空氣與蓄熱單元之間的對(duì)流換熱系數(shù)增大，換熱熱阻減小，傳熱能力增強(qiáng)；不同結(jié)構(gòu)蓄熱單元平均溫度降低到323 K所需要的釋熱時(shí)間隨矩形孔道寬高比減小而增大，在進(jìn)口流速為1.5 m/s，模型1釋熱33.5 h，模型4釋熱18.2 h；在滿足釋熱12 h的條件下，模型1、2、3、4的平均溫度降低到323 K所需設(shè)置的進(jìn)口空氣流速分別約為7、5、4、3 m/s，即在蓄熱磚上添加矩形孔道可以顯著降低風(fēng)機(jī)的配置功率.

圖13 蓄熱單元釋熱時(shí)間隨不同進(jìn)口空氣流速的變化

5 結(jié)論

本文結(jié)合工程實(shí)際中的蓄熱磚結(jié)構(gòu)，基于流固耦合換熱理論，將流固界面處難以確定的熱流邊界條件轉(zhuǎn)化為內(nèi)部邊界，建立了固體蓄熱單元的流固耦合傳熱模型，模擬研究了蓄熱磚孔道結(jié)構(gòu)和進(jìn)口空氣流速等參數(shù)對(duì)蓄熱單元蓄/釋熱性能的影響，通過(guò)對(duì)蓄熱和釋熱的模擬結(jié)果比較分析得到以下結(jié)論：

1) 在蓄熱過(guò)程中，蓄熱單元的溫升速率先升高再降低，添加矩形孔道的蓄熱單元的平均溫度降低，但與空氣的換熱量增多，隨著矩形寬高比增大，這種差距更加明顯.

2) 在釋熱過(guò)程中，蓄熱單元的平均溫度和溫降速率隨時(shí)間不斷降低，添加矩形孔道，蓄熱單元與空氣的換熱量增加.釋熱結(jié)束時(shí)，矩形孔道寬高比為18∶1的模型4的空氣換熱量達(dá)到39 108 kJ，比不加矩形孔道的模型1的空氣換熱量多了22%.

3) 結(jié)合不同結(jié)構(gòu)蓄熱單元的溫度分布云圖，在蓄/釋熱過(guò)程中，隨著矩形孔道寬高比從2∶1增大到18∶1，蓄熱過(guò)程的局部高溫值由870 K降低到857 K，釋熱過(guò)程中最高溫度與最低溫度的溫差由7 ℃降低到3 ℃，即隨著矩形孔道寬高比增加，蓄熱單元的局部高溫值越低，溫度分布的均勻性越好.

4) 在釋熱過(guò)程中，進(jìn)口空氣流速和矩形孔道寬高比越小時(shí)，釋熱速度越慢，所需釋熱時(shí)間越長(zhǎng).當(dāng)進(jìn)口空氣流速為1.5 m/s時(shí)，模型1釋熱33.5 h，模型4釋熱18.2 h.