第 1 章 绪论
1.1 研究背景
20 世纪初至 2050 年是中国实现社会主义现代化建设的关键时期，国家经济的快速发展需要能源供给的快速跟进，作为世界第一大发展中国家，显而易见未来几十年的中国对于能源的需求仍将处于上升趋势。就目前而言，我国在能源供给上总体向稳，能源的自给率处在较高的水平，但是不可否认的是截止 2014年底，我国煤炭的储采比仅为 30，这个数字远远低于世界平均水平的 110，而与此同印度的煤炭储采比为 94，美国为 265，俄罗斯为 441；石油储采比也仅为 11.9，也远低于世界平均水平的 52.5，天然气储采比增加到 25.7，也是仅仅约为世界平均水平的 50%[1]。更重要的是以当前我国的能源消费增长趋势计算，我国的煤炭，石油，天然气储存量都不过够使用几十年而已。所以在未来的能源消费中我国面临着巨大的能源危机，与此同时，由于化石燃料的大量使用，给我国乃至全世界范围内都带来了巨大的环境污染问题，化石燃料燃烧时产生的温室气体和酸性气体，如二氧化碳，二氧化硫以及粉尘颗粒等，造成全球范围内的雾霾现象，温室效应，冰川融化，海平面上升等问题，破坏了自然环境的生态平衡，同时也对人们的生产生活和其他动植物的生存产生巨大的威胁[2]。
为了解决与这一问题，近年来新能源成为世界各个国家争相研究发展的目标，新能源又称为非常规能源，是指传统能源之外的各种能源形式。1980 年联合国就召开了“联合国新能源和可再生能源会议”,会议对新能源的定义为：以新技术和新材料为基础，使传统的可再生能源得到现代化的开发和利用，用取之不尽，可再生的能源取代资源有限，并且会产生污染的化石能源，重点开发太阳能，风能，生物质能，潮汐能，地热能，核能[3]。2015 年国务院发布“十三五规划纲要”，明确指出要支持新能源产业发展，加快新能源领域核心技术突破，在优化能源结构中着重提出“提高非化石能源比重”。2016 年国家能源局通过了《国家能源局 2016 年体制改革工作要点》，再次将新能源的发展作为工作重点[4]。杜祥琬院士提出我们要在 2050 年前实现对能源结构体系的变革，从当前粗放、低效、污染体系转变为节约、高效、洁净、多元、安全的能源体系[5]。中国拥有丰富的风能、水能、太阳能、生物质能等可再生能源，所以在未来我国新能源的发展必定将呈现出上升趋势。
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1.2 研究意义
储热水箱是消费者使用热水的最后一个环节，其重要性不言而喻，目前市场上的太阳能集热器储热水箱各式各样，有方形，水塔形，圆柱形，其中圆柱形又分为立式和卧式，但是圆柱卧式储热水箱还是最为流行普遍的，近年来除了常规普通的圆柱卧式太阳能储热水箱外，又对这种水箱进行了升级改造，出现了分仓的太阳能储热水箱。现在市场上出现的有双仓，甚至三仓的储热水箱，这种储热水箱可以通过压力让储热水箱内的热水从入水口附近将热水从一个仓挤进隔壁仓，最后通过出水口排出水箱。分仓水箱的好处在于可以让从入水口进入水箱的冷水在仓得到一侧进行杂质沉积，避免杂质在整个水箱内蔓延；另外如果在水箱内加入电加热棒的情况下，可以将加热棒放在出水口侧的水仓内，这样就可以使电加热棒首先加热靠近出水口侧的水箱，而不需要加热整个水箱，实现提高电加热利用效率的功能。
前人已经对常规单仓太阳能储热水箱的放水特性和得热量等数据进行了一系列的实验研究，并结合数值模拟分析得到了大量的结果和数据，但是对于分仓水箱的放水特性、水箱内掺混程度、放热效率、以及入水口流速和和分仓隔板在水箱内的位置对水箱放水特性的影响都没有进行过全面系统的研究。因此，本选题旨在以分仓储热水箱为研究对象，对分仓储热水箱进行一系列的实验分析，结合数值模拟技术探究分仓储热水箱的运行情况，并通过改变分仓隔板在水箱内的位置探究其对水箱放水特性的影响，为分仓水箱的运行情况提供相关的数据支持。
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第2章 太阳能储热水箱放水特性参数分析
2.1 研究对象
本文在实验研究阶段所用的储热水箱为市场上常见的太阳能集热器储热水箱，其截面图如下图所示，实验所用水箱为卧式水箱，分别有单仓、双仓和三仓三种类别的储水箱，三种水箱在外观尺寸和材料上保持一致，只有仓内结构不一样，水箱长度 1540mm，侧面直径 360mm,水箱进出水口直径 20mm，其圆心位置分别距离水箱侧面底部和顶部 30mm，其中双仓水箱的隔板位置距离进水口位置 470mm，三仓水箱两个隔板位置分别距离进水口和出水口 470mm，双仓和三仓水箱所用隔板都为同样尺寸大小，隔板为一个圆形，在圆形上分别有一个直径 25mm 和 47mm 圆形孔。其结构剖面图如下图所示：
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2.2太阳能储热水箱放水参数
2.2.1水箱分层度量化
关于分层度的量化指标，前人已经提出了温跃层，无量纲参数 MIX 等分层量化标准，Rosen[57]在总结前人研究分析的基础上通过自己的分析计算，最终提出另一种方法来量化分析分层的程度，这种方法在计算时不仅考虑了水箱的内在问题，同时也考虑了周围环境对实验的影响。事实证明这种方法科学有效，也得到了越来越多专家学者的认可和使用。
本章对实验研究的对象进行了详细的描述，给出了实验研究对象的类型和相关的尺寸；并列出了影响水箱内掺混的相关因素，其中包括水箱高度半径比，水箱进水口结构，水箱进水流速以及水箱结构等；另外因为本文涉及到计算水箱放热效率和无量纲?值的问题，所以对放热效率和无量纲?值的计算方法进行了阐述。
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第 3 章 研究方法和手段................................... 16
3.2 数值模拟研究方法 ............................... 16
第 4 章 实验测试及结果分析 ............................... 24
4.1 实验装置.......................... 24
4.2 实验过程................................. 25
4.3 实验结果分析 ............................ 26
第 5 章 数值模拟和结果分析 ............................... 33
5.1 网格和时间步长独立性验证 .................................. 33
5.1.1 网格独立性验证 ................................. 33
5.1.2 时间步长独立性验证 .............................. 34
第 7 章 不同隔板位置的双仓水箱数值模拟分析
7.1 双仓水箱结构
本节中所研究的双仓水箱尺寸和第二章所描述的尺寸大小一模一样，水箱长度 1540mm，侧面直径 360mm，水箱进出水口直径 20mm，其圆心位置分别距离水箱侧面底部和顶部 30mm，其中隔板为一个圆形，在圆形上分别有一个直径25mm 和 47mm 圆形孔。不同处就在于隔板在水箱内的位置，其中第一个双仓水箱和第二章描述的双仓水箱一模一样，第二个双仓的隔板位于水箱的正中间，第三个水箱的隔板位置位于距离出水口侧 470mm 处。在此后的研究描述中分别称其为水箱 1、水箱 2 和水箱 3。具体水箱尺寸如下图所示：
因为在结构设计上水箱的尺寸和第二章中所涉及的水箱情况相同，只有隔板的位置产生变化，这对网格的参数设置没有影响，所以在本节的模拟参数设置中采用和上文中采用的参数一样。另外水箱的初始温度依旧为 333K，水箱进口温度为 293K，并分别在 2.5L/min、5L/min 和 10L/min 流速下进行模拟实验。
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第 8 章 全文总结与展望
8.1 全文总结
本文采用实验和数值模拟相结合的方法，分别对单仓、双仓和三仓的卧式储热水箱在三种（2.5L/min、5L/min 和 10L/min）不同流速和相同的初始条件下进行了实验和模拟，并通过水箱内的温度云图、放水曲线、放热效率以及量化分层度?值对数据结果进行了对比分析。同时以双仓水箱为基础，对三种不同隔板位置的双仓水箱进行了模拟分析，也对水箱内的温度云图、放水曲线、放热效率以及量化分层度?值等数据进行对比。研究结果如下：
（1）在对单仓、双仓和是三仓储热水箱进行实验和模拟时，随着进水流速的变化，水箱内的掺混情况也会发生变化。双仓水箱在 2.5L/min 和 5L/min 流速下时，水箱顶部的高温热水最后是留在左侧仓的顶部并随着时间发展温度逐渐变低，但是在 10L/min 流速下，水箱顶部的高温热水是留在右侧仓的顶部。而三仓水箱在 2.5L/min 和 5L/min 流速下时，水箱顶部的高温热水降温顺序是出口仓顶部，进口仓顶部，最后是中仓顶部。但是在 10L/min 流速下顺序则又发生了变化，顺序依次是进口仓顶部、出口仓顶部，最后是中仓顶部。
（2）就单仓、双仓和三仓的放水效率而言，不管是在 2.5L/min、5L/min 和10L/min 流速下，其放热效率最高的都是单仓、双仓次之，三仓放热效率最低。
（3）在 2.5L/min 流速下，以选取的八个无量纲时间为基础，单仓、双仓和三仓的?值变化范围分别为 0.4993~0.3281、0.4733~0.3385、0.3995~0.2870。在5L/min 流 速 下 ， ? 值 变 化 范 围 分 别 为 0.6483~0.3485 、 0.5432~0.4289 、0.4909~0.3791 。在 10L/min 流速下，?值变化范围分别为 0.8838~0.5674 、0.7027~0.6218、0.6600~0.5735。可以看到在不同流速下，三种水箱的?值随着流速的增大都有不同程度的增大，即水箱内的掺混程度随着进水流速的增大而变大，从?值的最大值来看，双仓和三仓水箱相比于单仓确实可以降低水箱内的掺混程度。
参考文献（略）