太阳能烟囱发电装置中多组分气体混合物热物理表征与性能优化的计算流体动力学分析

《Unconventional Resources》：CFD analysis of thermophysical characterization & performance optimization of a solar updraft tower utilising multi-composition gas mixtures

　　

研究人员针对太阳能上升烟筒（solar updraft tower）以非空气二元气体混合物为工质的情况，开展了462组稳态计算流体动力学（CFD）模拟，覆盖6种工业相关二元体系（Air–CO、Air–CO2、CO–CO2、CO2–SO2、Air–SO2、CO–SO2），组分摩尔分数X1由0至1连续变化，入口温度Tin取300–900 K。物性参数依Wilke规则、Wassilijewa–Lindsay–Bromley规则及质量分数加权法求得。结果表明：Air–CO在900 K时轴线速度最高，达60.1 m s?1；富SO2混合物在低温入口下抽力压力（chimney draft pressure, ΔP）最大；Air–CO与SO2混合物抽力排序在约650 K发生反转。研究人员引入经导热偏置修正的热性能指标（Thermal Performance Index, TPI = Nu/Pr1/3），用以在热导率差异显著的气体间公平比较传热。该研究首次系统绘制了二元混合物组成–温度对抽力、上升速度及传热的耦合影响图谱，为工业自然通风烟筒与太阳能辅助上升通道的工质筛选提供可复用依据。

研究背景方面，太阳能烟囱发电装置（Solar Chimney Power Plant, SCPP）利用透明集热棚加热工质，借热浮力驱动中央烟筒内气流推动轴流涡轮发电，具有无需冷却水、可利用散射辐射、寿命长、零燃料等优点。既往SCPP研究几乎全部以大气空气为工质，而焦化、高炉、水泥窑等工业过程排放的高温烟气含CO、CO₂、SO₂等组分，其本身即是工业自然通风烟筒与太阳能辅助上升通道中的浮力介质，工质组成由上游工艺固定而非自由选取。现有文献缺乏在验证化CFD框架下，对6种工业二元气体在X₁=0–1与T_in=300–900 K范围内同时变组分、变温度的系统表征，物性非线性导致努塞尔数预测误差可达30%以上，因此亟需建立组成–温度–性能映射。该研究发表于《Unconventional Resources》，旨在量化二元工质组成与入口温度如何共同支配SCPP热流性能，并提炼工质选取准则。

关键技术方法上，研究人员采用ANSYS Fluent进行稳态轴对称可压缩雷诺平均纳维–斯托克斯（RANS）模拟，几何为液压直径D_h=0.30 m、高H=10 m的竖直圆柱烟筒，壁面均匀热流q″=1000 W m^?2，入口设为零表压总压边界与指定T_in，出口零表压，理想气体密度处理大振幅浮力；湍流闭合采用Menter剪切应力输运（SST）k–ω模型，近壁y⁺<1。物性混合规则为动力粘度用Wilke规则、热导率用Wassilijewa–Lindsay–Bromley规则、比热用质量分数加权。网格无关性经粗中细三套结构化四边形网格检验，选中网格（80×500）与细网格出口温度差<0.5%、轴线速度差<0.8%，Roache网格收敛指数（GCI）<0.7%；求解器以均匀加热竖通道混合对流解析解校验，平均努塞尔数偏差<2.1%。

研究结果部分，按原文小节叙述如下。

1. 1.
   Introduction（引言）节指出非空气混合物代表工业过程与烟气本身作为浮力介质，工质受上游工艺约束，量化组成对ΔP、速度与传热的影响是自然通风烟筒设计前提，既有文献无组成–温度全耦合映射，引出本研究462案例参数扫描与新指标TPI。
2. 2.
   Physical problem and geometry（物理问题与几何）节给出轴对称集热棚–烟筒过渡结构（集热棚外半径R_col=0.65 m、高h_col=0.35 m，烟筒半径R=0.15 m），明确无进口速度预设、质量流量与u_c由浮力平衡自发产出，流态由格拉晓夫数Gr与瑞利数Ra控制，雷诺数仅作后验诊断。

2.2 Data-quality audit（数据质量审计）节披露属性库两处异常：近纯空气角X₁≥0.8且T_in=900 K时C_p出现<0.30 kJ kg^?1 K^?1的反常低温趋势值，保留原值但TPI与Pr解读需谨慎；CO₂–SO₂体系中Gas-1导出摩尔质量误为28.01 g mol^?1（应为64.07 g mol^?1），致低温C_p(X₁)排序倒置、Pr近1，该偏倚在4.2节定量记录。

2.3 Grid independence and solver validation（网格无关性与求解器验证）节确认中网格处于渐近收敛区，SST k–ω自动壁处理配合y⁺<1捕捉黏性底层，基准Air案例Nu与解析解吻合。

1. 3.
   Mathematical modelling（数学模型）节列出质量、动量、能量守恒方程与SST k–ω两方程湍流封闭，Boussinesq涡黏假设下有效粘度μ_eff=μ+μ_t，理想气体状态耦合组分依赖物性。

研究结果核心结论为：Air–CO在900 K获最高轴线速度60.1 m s^?1；富SO₂混合低温抽力最大，Air–CO与SO₂系抽力优劣在≈650 K反转；引入TPI=Nu/Pr^1/3消除热导率偏置后，跨组分传热可比性提升。462案例组成–温度云图可直接供设计者按目标（最大速度、最大ΔP或均衡传热）选工质。

讨论与结论翻译总结：研究人员强调该研究首次在验证化CFD中将非空气二元混合物系统表征为SCPP工质，借严格混合规则把混合物物性直接链结至抽力生成，揭示≈650 K工质排序反转现象，并以导热偏置修正的TPI实现跨组分公平传热比较。所供可复用、具物理释义的性能图谱，使工业自然通风烟筒与太阳能辅助上升塔设计者能在不重跑模拟前提下，按目标工况选取二元工质组成，对工业余热烟气驱动上升流装置具有直接工程意义。