【机情无限 精彩毕设】机械2026届毕业设计（论文）中期检查优秀案例分享第九期——竖向正弦形隔板流道对太阳能集器性能影响模拟研究
学生姓名：祁昕
班 级：能动2022-01班
指导教师：周锦志
毕设题目：竖向正弦形隔板流道对太阳能集器性能影响模拟研究
一、概况
1.选题意义
寒冷地区清洁供暖需求日益迫切。传统液体工质太阳能集热器在低温环境下存在冻损风险，而采用空气作为工质虽可从根本上避免冻结问题，但由于空气导热性差，其换热效率较低。研究表明，流道结构设计对流体传热性能具有决定性影响。为此，本研究提出“竖向正弦形隔板流道”方案，旨在通过周期性扰动流场、破坏热边界层并增大换热面积，从而提高光热转换效率。
2.任务分解
（1）流道构型调研与方案确立：梳理现有太阳能空气集热器的流道结构，对比分析各类扰动元件的强化传热机制，确定竖向正弦形隔板的几何构型与布置方式。
（2）参数化建模与网格生成：定义正弦波形的振幅、波长、隔板个数等关键变量，构建三维流道模型，完成模型前处理、高质量结构化网格划分及无关性验证。
（3）流动传热仿真与工况计算：设定边界条件与求解控制参数，对正交试验设计的多组工况逐一进行数值模拟，获取温度场、速度场及压力场分布。
（4）性能评价与参数优选：计算有效吸热量Q、光热转换效率，采用正交试验结合极差分析法确定各因素影响主次，筛选满足高光热转换效率的参数组合。
（5）机理分析与论文撰写：系统整理研究过程、方法、结果、分析和结论，撰写论文，完成答辩。
3.技术路线
（1）采用正弦曲线定义隔板轮廓，沿流向等间距布置于流道内部，形成周期性竖向扰动结构。
（2）通过SolidWorks建立参数化三维几何模型，采用Fluent Meshing生成结构化网格，对近壁区域进行局部加密。
（3）选取Realizable k-ε湍流模型与SIMPLE算法进行流动-传热耦合求解，设置速度入口、压力出口及恒热流边界条件。
（4）采用正交试验法（隔板个数、入口温度、入口速度三因素三水平）设计9组仿真工况，通过极差分析确定各因素影响主次，筛选最优参数组合。
二、已完成工作
1.已明确竖向正弦形隔板流道的总体设计方案并将核心部件出图：
完成集热器整体布局设计，使用SolidWorks建立包含吸热板、正弦形隔板、玻璃盖板、保温层及空气流道的完整三维几何模型。
采用“箱式流道+竖向正弦形隔板”的布局，将正弦形隔板沿流向等间距垂直布置于吸热板与底板之间。隔板顶部与吸热板紧密贴合，底部与底板底部与底板同样紧密贴合。
图1 集热器整体结构图
图2 正弦隔板结构图
2. 几何模型前处理并完成网格划分
（1）几何模型前处理。对三维模型进行前处理，分割吸热板、正弦形隔板、四周保温层壁面，底板对模型进行合理简化，忽略非关键的倒角、圆角等细节特征，降低计算复杂度。
图3 几何模型前处理
（2）网格划分。采用Fluent Meshing生成结构化六面体网格，对流固耦合面及近壁区域进行局部加密。正弦形隔板曲率较大区域采用更细密的网格划分，确保流动分离与涡旋捕捉精度。
图4 网格划分示意图
3.网格无关性验证
测试256万、345万、437万，567万四套网格方案，对比出口温度与压降变化。当网格数量从300万增加到437万时，出口温度变化率0.06%，压降变化率0.56%，均小于1%，通过无关性验证，可满足仿真精度要求。
4. 数学模型建立与求解设置
（1）控制方程确定
确立连续性方程、动量方程、能量方程作为流动-传热耦合的控制方程。
综合考虑流道中的曲壁绕流、流动分离及涡旋特征，选取Realizable k-ε湍流模型及标准壁面函数。
（2）边界条件设置
入口：速度入口（2.5/3/5 m/s），温度（263/273/300 K）
出口：压力出口（表压0 Pa）
集热板壁面：恒热流边界条件，热流密度800 W/m²
其他壁面：绝热边界条件
（3）求解参数配置
压力-速度耦合：SIMPLE算法
离散格式：动量、能量、湍动能均采用二阶迎风格式
4. 正交试验设计与工况仿真
（1）因素与水平确定
选取隔板个数（8/10/12）、入口温度（263/273/300 K）、入口速度（2.5/3/5 m/s）三因素三水平。其中263K和273K低温工况用于验证空冷型集热器的无冻损运行能力。
表1 正交试验因素水平表
（2）正交表设计及仿真结果汇总
采用正交表，共设计9组仿真工况，兼顾试验效率与信息全面性。已完成全部9组工况的数值模拟计算，提取出口流速、出口温度、温升、压降等关键数据。
所有低温工况（263K、273K）下，空气工质保持稳定流动，无冻结、无堵塞现象。
表2 仿真结果汇总
三、下一步工作计划
1. 数据整理与性能指标计算
对已完成9组正交试验工况的仿真结果进行系统整理，提取各工况下的出口温度、压降、出口速度，努塞尔数（Nu），有效吸热量Q等关键数据，为后续分析提供数据基础。
2. 极差分析与参数优化
采用极差分析法，确定隔板个数、入口温度、入口速度三个因素对光热转换效率影响的主次顺序，筛选出最优参数组合。
3. 撰写毕业论文并准备答辩
将以上研究过程、方法、结果与结论进行系统整理，形成格式规范、逻辑严谨的毕业论文。制作答辩PPT，清晰展示研究工作和成果，准备毕业答辩。
问题一：入口空气温度和太阳辐射有关，设置入口温度为正交因素能做到控制变量吗，对换热的意义可以再讲讲吗？
回答：所有的试验工况都将太阳辐射热流密度固定为800 W/m²，此前提下，设置不同入口温度的主要作用是改变空气与吸热板之间的换热温差，进而影响换热强度。换热温差（吸热板温度与空气温度之差）是驱动对流传热的直接动力。当入口温度较低时（如263K），空气与吸热板之间的温差较大，单位质量空气的吸热能力增强，出口温升更为显著；这为评估集热器在不同进气温度条件下的实际运行表现提供数据支撑。
问题二：选择的三因素里会考虑隔板的波形参数吗？
回答：现阶段正交试验设计的三因素为隔板个数、入口温度和入口速度，暂未将波形参数（振幅、波长）纳入其中。主要原因是若同时考虑波形参数，因素数量过多，会导致仿真工况数量成倍增加。每组工况均需独立建模、网格划分、求解计算及后处理，整体仿真周期将大幅延长
通过本阶段的研究工作，在理论认知、仿真建模与问题解决能力等方面均有较大提升。
在理论层面，老师建议将影响因素分为“几何构型”与“外设条件”两类，先优化几何参数，再在此基础上优化外设条件。这一思路清晰解释了此前正交试验设计中混搭因素可能导致最佳工况被遗漏的问题，令我豁然开朗，也让我对多因素优化问题的分层处理策略有了更深刻的认识。
在仿真建模层面，过程中曾遇到能量方程不收敛、残差震荡等问题，通过对比湍流模型、调整离散格式及松弛因子，最终实现稳定收敛，积累了宝贵的CFD仿真调试经验。
总体而言，本阶段工作锻炼了仿真分析与问题排查能力，为后续论文撰写与答辩奠定了扎实基础。