常压蓄热水罐布水结构的数值模拟和实验优化研究.pdf

哈尔滨工业大学硕士学位论文

摘要

蓄热水罐是区域供热系统中平衡供需热量、利用峰谷电价重要热量缓冲装置，

在蓄热水罐内布置孔板可以有效减小蓄热过程中的斜温层厚度，提高蓄热性能。本

文对装配孔板的蓄热水罐进行研究，研究多种因素对蓄热水罐蓄热性能的影响，并

尝试提出一种布水性能更好的孔板结构。

首先，建立高流速工况下的蓄热水罐原型，并通过相似模化，建立低流速工况

下的蓄热水罐缩尺模型，并确定缩尺模型进水流速与原型进水流速的关系，对两个

模型进行网格划分，设置模拟参数，进行无关性验证，确认划分好的网格可用于后

续模拟研究，并确定斜温层厚度为蓄热水罐蓄热性能评价指标。

其次，搭建蓄热水罐缩尺模型实验台，分别设计不同开孔面积比的单孔孔板和

多孔孔板实验方案，进行实验，并与没有装配孔板的实验方案进行对比，研究孔板

作用以及开孔面积比对蓄热水罐蓄热性能的影响。结果表明，在蓄热水罐中布置孔

板，可以有效延长蓄热过程中斜温层的持续时间，并减小生成的斜温层厚度；低流

速工况下，开孔面积比0.2时的蓄热水罐蓄热性能是单孔和多孔方案中最优的。

然后，对蓄热水罐缩尺模型进行仿真模拟，对比模拟结果和实验数据中一相同

时间和位置的温度分布，验证仿真模拟准确性。针对孔板结构和高温水温度设计模

拟方案，研究低流速下单一因素对蓄热性能的影响。结果表明，低流速下，对于单

孔方案，开孔面积比r=0.5时，罐内斜温层厚度最小，且斜温层稳定性最佳；对于

多孔方案，开孔面积比r=0.2时，罐内斜温层厚度最小，斜温层稳定性最佳；相同

的开孔面积下，开孔数量7为最优选择；孔板结构，低温水温度10℃时，高温水

温度设置在50℃~55℃较为合适。

再后，对蓄热水罐原型进行仿真模拟，针对孔板结构、进水流速和高温水温度

设计模拟方案，研究高流速下单一因素对蓄热性能的影响。结果表明，高流速下，

单孔方案在开孔面积比r=0.1和0.5时性能较佳；对于多孔孔板，r=0.2时蓄热过程

斜温层厚度最小，蓄热性能最佳；孔板开孔面积比一定时，开孔数量91为最优选

择；孔板结构不变，低温水温度10℃条件下，进水流速0.74m/s，高温水温度45℃

为最优方案。

最后，根据所作研究分析孔板优化蓄热水罐蓄热性能的机理，提出了一种新型

孔板结构，并与普通孔板结构进行对比。结果表明，新型布水结构可以有效抑制高、

低温水掺混换热，可以更早的生成稳定斜温层，且斜温层的厚度更小，蓄热过程稳

定性更好。

关键词：蓄热水罐；孔板；斜温层；蓄热实验；数值模拟

-I-

哈尔滨工业大学硕士学位论文

Abstract

Heatstoragewatertankisanimportantheatbufferdevicetobalancetheheatsupply

anddemandindistrictheatingsystemandutilizethepeakandvalleytariffs.Arranging

orificeplatesinsidetheheatstoragewatertankcaneffectivelyreducethethicknessofthe

thermoclineintheheatstorageprocessandimprovetheheatstorageperformance.Inthis

paper,westudytheeffectofvariousfactorsonthethermalstorageperformanceofthe

tankwithorificeplatesandtrytoproposeanorificeplatestructurewithbetterwater

distributionperformance.

Firstly,theprototypeoftheheatstoragewatertankunderhighflowr