应用于压缩空气储能的液体活塞压缩室的设计分析
强调
bull;提出了一种在压缩室中使用多孔介质的高效率气体压缩机的设计。
bull;压缩是用液体活塞，允许多孔热交换器与压缩空间之间的一体化。
bull;成形的压缩室允许在压缩和膨胀过程期间通过矩阵来控制活塞的速度和偏度。
bull;得出因成形室导致增强的热传递和提供改进的压缩效率。
摘要
本研究旨在基于CFD的成形液体活塞压缩室的设计分析。液体活塞压缩室适用于压缩空气能量储存（CAES），应用于发电和电力需求之间的不匹配。因此，设计探索的目标是最大限度地提高压缩效率。压缩室内的介质是用于增强热传递的开孔金属泡沫。传统上，压缩室的形状是圆柱形的。本研究探讨了沿着压缩腔室轴线改变截面直径轮廓对压缩效率的影响。这导致压缩室壁呈葫芦状形状的弯曲。使用基于田口方法的正交阵列概念完成了一组探索性设计案例，从而减少实现的次数。 CFD模拟提供压缩过程中室形状的改变，使我们深入了解其对流动物理学的影响方式。定量设计分析表明，腔室的大纵横比和陡峭的半径变化通常是优选的，这符合CFD流场的可视化。以此分析每个不同形状参数的相对重要性。
关键词
热量传播，液体活塞，CFD，压缩空气储能
术语释义
A 入口横截面积[m2]
b 惯性系数[1/m]
c 比热[J/（kgbull;K）]
dm 平均孔径[m]
Es 储能[J]
hv 体积传热系数[W/（m3bull;K）]
K 渗透率[m2]
k 导热系数[W/（mbull;K）]
L 室的长度[m]
ℒ 形状参数值
P 平均压力[Pa]
P 形状参数
p 局部压力[Pa]
Pr 普朗特数
R 半径[m]
r 径向坐标[m]
Re 雷诺数
Sm 动量源术语[Pa/m]
T 局部空气温度[K]
T0 初始温度;壁温[K]
Ts 局部固体温度[K]
t 时间[s]
Uin 液体活塞速度[m/s]
V 室的瞬时体积[m3]
W 功[J]
x 轴向坐标[m]
希腊符号
alpha; 体积分数
ε 孔隙度
eta; 效率
mu; 动力粘度[Pa·s]
rho; 密度[kg/m3]
下标
0 变量的初始值
1 空气相
2 水相
f 压缩结束时的值
i 入口位置
s 固体
t 顶盖位置
上标
* 无量纲变量
1.介绍
本文提出了一种用于压缩空气能量存储（CAES）的成形液体活塞压缩室的设计分析。 CAES通过在低功率需求时段压缩空气来储存能量（例如来自风力涡轮机），通过在高功率需求时段扩张压缩空气来释放它[1]。其优点在于它能够克服发电和电力需求之间的不匹配问题，例如风力发电实验。基于CFD模拟的分析表明，压缩过程相对于相同压力下的压缩比，压缩过程较等温时压缩效率更高[2]。通常，压缩所导致压缩空气温度的升高是由于部分压缩作功转化为空气内部能量的增加。然而，在压缩空气冷却至环境温度的储能期间，内部增加的能量被浪费。因此，在压缩过程中冷却空气对于降低输入功率和保持高的压缩效率十分重要。同时避免高温对于材料和耐久性原因也很重要。
液体活塞可用于压缩空气储能。在功耗方面，液体活塞的密封效果比传统的固体活塞更具优势[3]。液体活塞对CAES的更重要的优点在于，当液体流过多孔介质的孔隙时，它填充多孔介质进入室中为增强热传递提供可能性。目前已经对具有开孔金属泡沫嵌件的液体活塞式压缩机进行了详细的建模和CFD模拟，以应用于较低的压缩比。虽然多孔介质与流动液体间存在流动阻力，将导致压降，但是这个原因导致的功率损失相对于压缩空气所需的功率而言是微不足道的。结果表明，这种压缩机受益于液体活塞提供的冷却效果和伴随的吸热介质，以提高压缩效率[4]。
具有多孔介质插入件的液体活塞式压缩机的数值模拟采用体积平均技术[5,6]。然后，由于动量和能量方程是多孔介质的代表性基本体积（REV）尺度的平均值。因此可避免通过多孔介质的确切形状来解决流动问题以及解决这些体积平均方程。结果，在连续区域中可通过多孔介质的流动解决，而不需要直接解析孔隙尺度活性;在动量方程中出现负动量源项，表示孔隙尺度活动并满足闭合。这种效应通常由Darcian和惯性术语[7]建模。两个体积平均能量方程，一个固体和流体的解决方案，通过界面热传递项耦合。由于液体活塞室涉及两相（水和空气），可将流体体积（VOF）方法[8]与多孔介质模型结合使用。
传统意义上，压缩室是具有圆柱形形状的。本研究探讨了通过沿室的轴线改变剖面直径的曲线而导出的压缩效率变化。这导致压缩室的壁面弯曲，使其呈现葫芦状形状。这种形状的优点在于，它使压缩期间腔室中具有更复杂的流动特征提供了可能，从而增强混合程度和热传递。为了分析墙体形状效应，对形状进行参数化，建立了基于正交阵列的一系列设计探索案例。实验的正交数组经常与Taguchi优化方法[9]一起使用，并且显示出无论是实验还是数值上它都能够减少实现的次数[10,11]。在本研究中，识别出四个形状参数，每个具有四个不同的相关参数值。基于正交阵列方法，创建了十六个正交阵列，每个通过CFD运行进行分析。结果可以深入了解压缩室中的流体流动和传热特性，并得出所选参数域内的优化室形状。
2.探索性设计的正交阵列
本研究研究了液体活塞压缩室形状的影响。 成形室的示意图如图1所示。 在室内插入10英寸（PPI）和93％孔隙率的开孔金属泡沫多孔介质。 当水被泵入室的左端（注意图1中的重力是从右到左）时，上升的水 - 空气界面充当压缩室内的空气的活塞表面。 压缩过程从7巴和293 K的预压缩空气开始，3秒后以210巴结束。 本研究中室容积固定在2.19times;10-3m3。 室的主要形状由四个参数控制，如图1所示。 1：长度，入口半径，最大半径，顶盖半径和最大半径相对于入口的位置。
图一：液体活塞室示意图及形状参数
与设计相关联的是分析这五个形状参数的不同比例，因为室的体积是固定的。 可创建基于这五个长度尺度的四个无量纲形状参数：
（1）
（2）
（3）
（4）
这些参数的关注领域是：1le;P1le;8，1.5le;P2le;6，0.333le;P3le;0.8，1.5le;P4le;6。选择其自身定义域内每个参数的四个级别（值）进行调查。 它们将在表1中给出。使用“L16阵列”，基于Taguchi设计方法[9]，创建了十六个正交探索形状设计，并在表2中给出。设计是一组形状参数值， 它与参数值的其他数组正交。 正交数组方法可以用数学方法证明。实际的观点是：（1）每个设计与其他设计最不一样，（2）在所有16个设计中，每个参数的每个级别都与所有其他级别的其他参数相结合。 对不同设计进行CFD模拟。
表1：不同参数的调查等级
表2：基于正交数组的探索性设计
3.CFD建模
表2中的每个设计都由CFD分析。压缩室以圆柱坐标进行研究，如图1所示。 如图1所示，x轴沿着压缩室的中心线。 引力场与轴方向x相反。 在时间= 0时，水开始以恒定的速率泵入腔室。 在压缩过程中，水，空气和固体在室内共存。
CFD模拟利用了一种结合双能方程多孔介质模型（固体和流体）和用于两相流模拟的流体体积（VOF）分析方法的技术。 解决了两个流体相中的连续性方程。 两相流体相的关联性由相体积分数alpha;的标量函数数值表示。 下标1和2分别表示空气和水分。 那么，连续性方程是：
基于平均性质，为多相流混合物解决了一组动量和能量方程：
其中：
rho;=alpha;1rho;1 alpha;2rho;2
mu;=alpha;1mu;1 alpha;2mu;2
rho;cp=alpha;1rho;1cp,1 alpha;2rho;2cp,2
kf=alpha;1k1 alpha;2k2
固体的能量方程是：
动量吸收项来自多孔介质孔径尺度上的动量方程的体积平均值。 它表示介质流动的阻力。 它可以基于Darcian和惯性术语建模：
使用10PPI金属泡沫塑料的以前的建模和实验研究揭示了以下电阻性质[4]：
K = 2.397times;10-7m2，b = 570.1/m
流体和固体能量传输方程必须通过界面热传递项耦合。 以前的研究[4]表明，以下热传递相关性可代表10PPI金属泡沫：
其中10PPI金属泡沫的平均孔径为：dm= 3.61mm。分析的其他物理性质列于表3。
表3：物理性质
计算的压缩过程从700 kPa到21 MPa。 由于高压，使用空气处理为真实气体的三次方程式将空气压力与密度和温度相关联[13]：
其中：
n=0.48 1.574omega;minus;0.176omega;2
中心因子omega;取为0.033。 对于空气，临界压力，临界温度和分子量分别为3.758MPa，132.3K和29g/mol。 通用气体常数为8.314J/（mol K）。 真实气体的比热用偏离比热来模拟[13，14]：
cp,1=cp,1,idealminus;cp,1,dep
其中cp，1，ideal是用于理想的气体。 对于空气，cp，1，ideal是根据参考文献12的数据的曲线拟合作为温度的函数。初始比热基于以下等式：
CFD模拟使用基于有限体积的商业CFD软件ANSYS Fluent完成。其默认VOF模型用于求解Eqns。 （（5），（6），（7）,（8））;固体能量方程式（13）通过用户定义的标量方程来实现。一阶隐式方法用于瞬态离散化。使用二阶逆风方案来区分空间衍生物。压力隐含与分割算子[15]算法用于压力 - 速度耦合。还使用了压力交错选项方案[16]，用于计算交错网格上的离散压力值。基于绿色 - 高斯单元的方法用于根据其相邻单元格中的值的算术平均值来计算变量的面值。在每个时间步长中，当残差小于10-9时，满足收敛。对于16次运行，计算网格从60790个单元变化到78794个单元，在壁附近
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