基于孔隙尺度方法的梯度拉盖尔-沃罗诺伊多孔接收器传热强化研究及其在高温太阳能转换中的应用

《ENERGY CONVERSION AND MANAGEMENT》：Heat transfer enhancement of gradient Laguerre-Voronoi porous receiver through pore-scale method

本文系统研究了梯度拉盖尔-沃罗诺伊多孔结构（GLVPR）的传热强化机制，通过孔隙尺度方法（pore-scale method）结合实验验证，揭示了单元直径（dc）和孔隙率对热效率（thermal efficiency）与摩擦因子（friction factor）的差异化影响规律。研究发现通过轴向组合单级结构（SLVPR）并优化长度比（如GLV30-40），可实现整体性能（overall performance）最大化，为高温太阳能接收器（volumetric solar receiver）与先进动力循环的兼容设计提供了新范式。

　　

物理模型描述

从宏观尺度看，拉盖尔-沃罗诺伊多孔接收器（LVPR）是直径40毫米、长度70毫米的圆柱体。从孔隙形态学角度观察，LVPR由多边形支柱单元堆叠构成，其特征参数包括单元直径（d_c）和支柱直径（d_s）。

图1展示了LVPR的生成流程：首先通过离散元法（DEM）在EDEM软件中进行颗粒填充，获取每个填充球的中心点坐标及对应半径（此处图示说明从略）。

研究方法

孔隙尺度方法精准模拟了LVPR内部的流动与传热细节，其形态通过图1所示流程生成。采用辐射传递方程（RTE）描述太阳辐射传输及固体骨架间的辐射热交换。耦合传热模型基于以下假设：

1. 1.
   传热流体（HTF）为空气，其可压缩性效应可忽略；
2. 2.
   固体骨架为不透明介质，表面辐射模型适用于固体间辐射换热；
3. 3.
   太阳辐射在固体表面被吸收（表面吸收模型）。

实验流程

采用室内太阳能模拟器平台评估LVPR样品的热工性能。该平台包含五大模块：太阳模拟器、接收器样品、板式换热器、空气通道及数据采集系统（图7）。所有测量仪器的规格与精度见表2。

选用钛合金通过3D打印制备的SLV6-0.24样品（直径40毫米，长度70毫米）进行实验验证（具体工艺参数从略）。

速度分布

图11展示了入口流速1.5米/秒时SLV7-0.25模型的流线图。在支柱的曳力作用下，多孔区域内的流线呈现蜿蜒绕流模式；而在无支柱阻挡的出口区域，流线趋于平直，符合出口边界条件的局部单向流假设。

图12揭示了SLV7-0.25模型的径向平均速度与孔隙率关系。数据显示...（具体数值分析从略）

结论

通过孔隙尺度方法与实验测试相结合，系统揭示了LVPR的热性能规律。梯度设计的引入显著提升了综合性能，主要结论如下：

1. 1.
   相同单元直径下，孔隙率增大会提高固体入口温度但降低流体出口温度；相同孔隙率时，单元直径增大具有类似效应。
2. 2.
   单元直径对热效率的影响远超孔隙率（SLV6-0.24实现最高热效率），而摩擦因子与整体性能则更受孔隙率调控（SLV7-0.20表现最优）。
3. 3.
   降低入口固体温度是提升LVPR热效率最有效途径，其再辐射损失可达反射损失的3-4倍。