摘 要

淡水作为人类较为重要的资源，但是淡水资源在全球可用水当中占比较低，海水淡化是目前最重要的淡水来源之一。倾斜式太阳能蒸馏器是目前广泛使用的海水淡化装置，其结构简单，使用成本低，与目前大规模应用的工业海水淡化装置设备投资高，工程推广限制多等特点相比，易于推广在偏远沿海地区，更加符合居民个体生活生产用水需求。太阳能蒸馏器的盖板倾斜角度和盖板材料透射率是影响淡化效率的重要因素，对此本项目采用仿真分析的方法对倾斜式太阳能蒸馏器的单因素变量进行研究，主要内容如下：

首先，基于现有的产品和前人的理论研究，对太阳能蒸馏器的结构和使用原理进行了研究，建立了太阳能蒸馏器三维两相参数化有限元模型。分别改变太阳能蒸馏器的盖板倾斜角度以及盖板材料的太阳能透射率，设置相关单因素影响变量参数，探究此类单因素变量对于太阳能蒸馏器的蒸馏效率和产水效率的影响。

其次，利用上述模型进行FLUNT有限元仿真，研究太阳能蒸馏器的盖板倾斜角度为60°和45°，盖板材料的透射率为S1和S2的情况下，该装置的淡化效率。通过软件仿真结果当中的温度分布云图，压力分布云图，水蒸气体积分数截面云图这三项内容，进行对比参考。在分析仿真当中的误差不对仿真结果产生影响之后，得出太阳能蒸馏器的盖板倾斜角度为45°时，该装置的工作效率比盖板倾斜角度为60°时候好；太阳能蒸馏器的盖板材料透射率为S1时，该装置的工作效率比盖板材料透射率为S2时候好。

本项目当中的有限元仿真研究未参考实际实验对照，仅参考了理论计算公式对仿真实验进行验证，属于理想条件下的FLUENT CFD仿真，在太阳能蒸馏器的三维两相模型当中，仿真结果和理论结果偏差小，温度分布云图当中出现误差也和理论误差情况相似，本仿真研究为定性研究，所以采纳该仿真结果，本项目的仿真实验具有可靠性和有效性。

关键词：计算流体力学，太阳能蒸馏器，海水淡化，CFD

Abstract

Fresh water is an important resource for human beings, but it accounts for a relatively low proportion of the global available water. Desalination is one of the most important sources of fresh water at present. Tilt solar distiller is a widely used desalination device, which has simple structure and low cost. Compared with the current large-scale industrial desalination device with high investment and many restrictions on project promotion, it is easy to be popularized in remote coastal areas, and more in line with the demand of individual living and production water for residents. The tilt angle of the cover plate and the transmittance of the cover plate material are the important factors that affect the desalination efficiency. In this project, the simulation analysis method is used to study the single factor variables of the tilt solar distiller. The main contents are as follows:

First of all, based on the existing products and previous theoretical research, the structure and use principle of solar distiller are studied, and a three-dimensional two-phase parametric finite element model of solar distiller is established. Change the tilt angle of the cover plate and the solar transmittance of the cover plate material, set the related single factor influencing variable parameters, and explore the influence of such single factor variables on the distillation efficiency and water production efficiency of the solar still.

Secondly, using the above model to carry out the fluent finite element simulation, the desalination efficiency of the device is studied when the tilt angle of the cover plate of the solar still is 60 ° and 45 ° and the transmittance of the cover plate material is S1 and S2. Through the software simulation results, the temperature distribution cloud, pressure distribution cloud and water vapor volume fraction cross-section cloud are compared. After analyzing the error in the simulation and not affecting the simulation results, it is concluded that when the tilt angle of the cover plate of the solar still is 45 °, the working efficiency of the device is better than that of the cover plate when the tilt angle of the cover plate is 60 °; when the transmissivity of the cover plate material of the solar still is S1, the working efficiency of the device is better than that of the cover plate material when the transmissivity of the cover plate material is S2.

The finite element simulation research in this project does not refer to the actual experiment comparison, only refers to the theoretical calculation formula to verify the simulation experiment, which belongs to the fluent under ideal conditions CFD simulation, in the three-dimensional two-phase model of the solar distiller, the deviation between the simulation results and the theoretical results is small, and the error in the temperature distribution cloud chart is similar to the theoretical error. This simulation study is a qualitative study, so adopting the simulation results, the simulation test of this project has reliability and effectiveness.

Key words: Computational fluid dynamics, solar still, desalination, CFD

目录

摘要 I

Abstract II

目录 III

第 1 章 绪论 1

1.1 海水淡化方法 1

1.1.1 多级闪蒸 1

1.1.2 多效蒸馏 2

1.1.3 压气蒸馏 2

1.1.4 太阳能蒸馏 2

1.1.5 反渗透法 2

1.2 太阳能蒸馏海水淡化技术 3

1.2.1 倾斜式太阳能蒸馏器 3

1.2.2 盘式太阳能蒸馏器 4

1.2.3 被动式太阳能蒸馏器 4

1.3 仿真实验研究内容目标以及研究路线 5

第 2 章 太阳能蒸馏器建模 6

2.1 参考实物装置设计模型 6

2.1.1 模型结构以及功能说明 6

2.1.2 实物装置产能影响因素 7

2.2 简化CFD模型 7

2.3 太阳能蒸馏器蒸发量理论计算 7

2.4 太阳能蒸馏器流体CFD仿真控制方程模型 8

2.4.1 动量方程 8

2.4.2 连续性方程 9

2.4.3 能量方程 9

2.5 流体湍流模型的选择 10

2.6 太阳能蒸馏器模型的确定 11

2.7 小结 11

第 3 章 太阳能蒸馏器CFD仿真 12

3.1 基于ANSYS FLUENT软件的太阳能蒸馏器CFD仿真 12

3.1.1 太阳能蒸馏器模型网格划分 12

3.1.2 太阳能蒸馏器仿真模型边界条件的确立 13

3.1.3 设置太阳能蒸馏器仿真初始条件 17

3.1.4 计算太阳能蒸馏器模型仿真求解 18

3.2 查看太阳能蒸馏器模型仿真结果 19

3.2.1 温度分布云图 19

3.2.2 压力分布云图 20

3.2.3 水蒸气体积分数云图 20

第 4 章 太阳能蒸馏器CFD有限元模型分析 22

4.1 太阳能蒸馏器盖板倾斜角度对仿真结果影响 22

4.1.1 温度场分布云图 22

4.1.2 压力场分布云图 24

4.1.3 水蒸气体积分数云图 26

4.2 太阳能蒸馏器盖板材料透射率对仿真结果影响 27

4.2.1 温度分布云图 28

4.2.2 压力分布云图 30

4.2.3 水蒸气体积分数云图 32

4.3 小结 33

第 5 章 结论及展望 34

5.1 结论 34

5.2 展望 34

参考文献 36

致 谢 37

绪论

自古以来以来淡水就是全人类社会当中最为重要的资源，伴随着人类的生存和发展得需求，淡水资源成为了根本需求，在当今的社会发展当中已经表现出淡水资源较为匮乏的情况，淡水资源的重要性显而易见。虽然有分布在地球上的海洋面积约为地球表面积的70.8%，但是其中约有97%的水资源为不可直接饮用的非淡水资源，而仅剩的3%的淡水，分布的也是及其的不均匀，大约有75%的淡水资源被冻结在地球的两级以及高寒地带的一些冰川中，而在抛开冻结的水资源当中仅剩下的25%的淡水资源，大部分都是存在为地下水形式。据统计，现可供人类直接利用的淡水已经不足0.36%^[1] 。

伴随着社会文明发展，工业用水，农业用水的需求将会迅速扩大，但是伴随的科技工业发展，污染物的排放也逐年增加，对于水资源的污染也在逐年增加。海水作为地球上最多的最丰富的水资源，对海水进行淡化处理，可以大幅度的解决水资源匮乏问题。在电力资源极度匮乏的中东沙漠沿海地区或者某些岛屿国家，将太阳能蒸馏海水淡化技术应用在当地的海水淡化工程，对于短缺水资源、电力资源匮乏的水资源贫困地区的发展有着重要的意义。

海水淡化方法

将来自海水当中的盐以及一些矿物质和微量元素和水分离，此过程被人们称为海水淡化，海水淡化是通过化学，物理或者化学物理的方法来实现的。我们的先祖从很久远的年代起，就对于海水淡化进行了研究。有历史资料表明，曾经在公元前1398年附近，沿海地区的元祖就已经开始通过蒸馏的方式从海洋当中汲取淡水，并且熟练应用与传授下一代的人类，更早关于海水淡化的记录是来自公元世纪初，约在公元210年的航海记录当中，记录当中表明有水手在远航的船只上使用了海水淡化设备^[2] 。目前投入商用的海水淡化方法主要有以下四种，太阳能蒸馏法，多效蒸馏法，多级闪蒸法，压气蒸馏法，这四种都属于蒸馏类的淡化法，还有一种属于透析膜法，为反渗透法^[3,4]。

多级闪蒸

将海水加热到规定的温度之后，使其依次通过多个压力缓缓降低的闪蒸室，在多个压力等级逐级减少的闪蒸室内蒸发，使得蒸汽冷凝而得到淡水。普遍的研究和工程实践表明，多级闪蒸海水淡化装置在运行时有高安全性和优稳定性的特点，所以大规模的海水淡化工厂经常采用该套设备，导致多级闪蒸技术发展较快，也是目前较为成熟的技术，普遍运行和实践于在海湾国家和中东沙漠地区的大型和超大型淡化工厂^[5]。

多效蒸馏

多效蒸馏的实质其实是热能的重复利用，对于上述原理，实际当中其具体的做法是将一组的水平管降膜蒸发器按照串联的方式并在一起，每一个模组当中都有等量的水，将其分成若干等效组，然后在其内部进行一定量的蒸汽输入，在其内部发生若干次的蒸发和冷凝，以此得到多倍于单次加热蒸汽量的蒸馏水。

压气蒸馏

压汽蒸馏的理论可以概括为根据任何气体在被压缩时温度都会升高这一特点，将蒸发器中沸腾液体^[6],在此为自然界当中的水资源，蒸发出来的二次蒸汽使用压缩机进行隔热或者绝热压缩，通过其二次压缩来提高其压力、温度及热焓，二次蒸汽被压缩机进行隔热或者绝热压缩后，又送回蒸发器的加热室，目的是提高其压强，来自于蒸发容器内的溶液继续蒸发^[7]，水蒸气在此同时则冷凝成水，通过以上流程，在压气蒸馏海水淡化当中水蒸汽的潜热得到了反复利用^[8]。

太阳能蒸馏

太阳能蒸馏海水淡化技术，一般在装置的底部储存有海水，利用太阳的热辐射加热底部储存的海水，海水受热蒸发，在某个结构当中冷凝液化，其概括可以总结为就是借用来自太阳的热辐射对海水进行蒸馏，利用太阳能直接使海水蒸发的工艺。太阳热辐射在蒸馏过程的实践应用，最重要的就是应用在海水淡化方面。蒸馏过程基本上是把海水汽化，使溶解了的盐类留在废弃溶液中，之后在某些结构中使水蒸汽凝结而得到淡水。太阳能蒸馏装置可以不消耗化石能源等不环保能源，装置并且结构简单、技术含量低，在一些太阳光充足而又缺乏科研技术能力和电力能源的沿海偏远地区或者环海的岛屿地区使用是非常合适的。

反渗透法

反渗透海水淡化，在一些研究当中又称超滤或者超过滤法，在水槽中间，设置一个半透膜，半透膜左右两侧的溶液不相同，低密度溶液当中的溶剂会转向高密度溶液当中，现实情况当中就是，海水和淡水隔开时，淡水会通过半透膜到达海水那侧，这是渗透的原理，但是我们在海水那一侧加压，使得压力大于海水的渗透压，在这个时候，海水当中的溶剂纯水则会通过半透膜反渗透到淡水那一侧，达成了海水淡化的效果。在实际工程应用当中，该技术成本高，所需科技含量高，无法大规模应用在沿海的偏远地区，其主要用于专业性较高的提纯技术当中^[9]。

太阳能蒸馏海水淡化技术

太阳能蒸馏海水淡化设备，主要是装置底部的储水区，受到穿过太阳能蒸馏器顶部盖板一类结构的太阳光辐射，储水区吸收太阳光辐射以后发生能量转化，变为热能，储水区温度上升，储水区的水受热蒸发，蒸发得到的水蒸气在腔体内部上升，在某一冷却功能的结构当中遇冷液化，在该结构的内部表面上凝结成液体，沿着装置内壁流动到收集装置当中，得到产品。太阳能蒸馏海水淡化技术的核心就是这样，随着科技发展，研究人员为了提高太阳能蒸馏器的海水淡化效率，基于此基本技术，衍生出一系列的太阳能蒸馏海水淡化技术，例如：倾斜式太阳能蒸馏器，盘式太阳能蒸馏器，被动式太阳能蒸馏器等。因此，我们需要制取淡水来解决目前水资源匮乏的现状。几十年来，淡水资源匮乏和人类生存环境的恶化，促使人们大力开发水清洁设备，其中包括太阳能蒸馏器。国内外关于聚光太阳能蒸馏器的研究进展近乎相似。致力于提高盖板材料的透射率，提高海水存储率，对储水区的材质进行研究，使其芯型储水结构更为优秀，利用计算仿真的方法来设计反射器，使得热辐射的利用率提高等。

倾斜式太阳能蒸馏器

倾斜式太阳能蒸馏器是最为传统的太阳能蒸馏器，海水位于蒸馏器底部，太阳光透过盖板照射到底部的海水区域，海水吸收热辐射，转化为热能受热蒸发，蒸发出的水蒸气在盖板上遇冷液化，冷凝为液态水，液态水顺着回收槽流入收集装置，高浓度海水溶液则从排水口流出。基于倾斜式太阳能蒸馏器结构简单，成为众多研究人员追捧的偏远地区饮用水解决方案，也受到了海水淡化设备公司的重点关注。倾斜式太阳能蒸馏器二维设计如下图 1.1所示^[10]。