聚光太阳能热收集与储能中辐照下快速加热的颗粒流研究

一、 研究团队与发表信息

本研究由来自佐治亚理工学院（Georgia Institute of Technology）乔治·W·伍德拉夫机械工程学院（George W. Woodruff School of Mechanical Engineering）的Shin Young Jeong、Devesh Ranjan、Zhuomin M. Zhang以及通讯作者Peter G. Loutzenhiser共同完成。该研究成果于2025年4月18日发表在爱思唯尔（Elsevier）旗下的开放获取期刊《iScience》上，论文标题为《Exploring irradiated granular flows with rapid heating for concentrated solar thermal energy collection and storage》（探索聚光太阳能热收集与储能中快速加热下的辐照颗粒流），论文引用编号为iScience 28， 112164。

二、 学术背景与研究目标

本研究的核心科学领域属于工程与应用科学的交叉领域，具体聚焦于可再生能源技术，特别是下一代聚光太阳能热发电（Concentrated Solar Power， CSP）系统中的关键组件——高温颗粒式太阳能接收器（solar particle receiver）的热能收集与传输过程。聚光太阳能热发电技术提供了一种可避免化石燃料环境影响的清洁电力生产方式，而结合热能存储（Thermal Energy Storage， TES）系统可以使其实现连续运行。在众多技术路线中，基于固体颗粒（如陶瓷或硅基颗粒）的热能存储和传输介质因其高温稳定性好、热容量高、成本相对低廉等优点，被认为是一种极具前景的下一代CSP技术路径。这些颗粒通常在太阳能接收器中直接被太阳光加热，有可能达到超过1300 K的温度。

在众多颗粒接收器设计中，倾斜平面颗粒流（inclined plane granular flow）接收器因其结合了热能收集与存储、封闭式设计减少颗粒损失、可通过控制流速获得更高出口温度等优势而受到关注。先前的研究主要集中在这种接收器的热性能和反应器优化上，但忽略了一个关键物理因素：颗粒的流动行为本身会随着温度的变化而发生显著改变。颗粒的摩擦系数、恢复系数等流动特性具有温度依赖性，而颗粒流在接收器中会被高强度、非均匀的太阳辐射快速加热，导致其内部产生显著的温度梯度。流动行为（如流速、床层厚度）的改变会直接影响颗粒在辐射区的停留时间，从而影响其最终温度和整个系统的热效率。然而，对于在实际高辐照热流条件下，颗粒流行为如何随温度动态变化，以及这种变化如何影响内部热传递过程，尚缺乏深入的研究。

因此，本研究旨在填补这一知识空白，其核心目标是：全面分析在直接暴露于非均匀高强度辐射热流下，沿倾斜平面流动的烧结铝矾土（sintered bauxite）颗粒的流动行为变化和热传输机制。具体包括：首次通过实验观察因温度依赖性摩擦特性导致的快速加热颗粒流行为改变；开发一个能够捕捉此类流动中关键热传递机制的数值模型；并最终揭示温度变化、颗粒流动力学和热传递之间的复杂关系，为优化颗粒式太阳能接收器和反应器的设计提供关键见解。

三、 详细研究流程

本研究主要包含两个相辅相成的核心部分：实验研究与数值建模。

1. 实验研究流程

• 研究对象与设置： 研究对象为商业烧结铝矾土颗粒（Carbobead CP 30/60），其有效直径约为418微米。实验装置为一个定制化的倾斜平面流动系统。平面由高密度刚性氧化铝板制成，并以27°的倾角（这是先前研究确定的可维持稳定、非加速流动的最佳角度）放置。实验区域的尺寸为长度L=200毫米，宽度W=80毫米。该装置被置于一台高通量太阳模拟器（High-Flux Solar Simulator， HFSS）的焦平面内，以模拟集中的太阳辐射。
• 辐照条件： 研究设定了三种不同的平均法向辐射热流密度条件：400、500和600 kW/m²。这些高热流用于快速加热流动的颗粒。
• 测量方法与过程：
  • 颗粒自由表面温度场测量： 使用两台红外热像仪（长波红外LWIR和短波红外SWIR）来测量颗粒流自由表面（即顶层）的温度分布。LWIR相机用于测量400-950 K的温度范围，SWIR相机用于测量950 K以上的温度，两者在测量范围上有重叠以确保准确性。相机经过严格校准，以排除表面反射辐射的干扰，确保测量的是颗粒自身的辐射温度。
  • 颗粒自由表面速度场测量： 采用高速摄像结合粒子图像测速（Particle Image Velocimetry， PIV）技术。以每秒500帧的速度拍摄流动画面，通过图像处理技术（如自适应直方图均衡CLAHE和高通滤波）增强颗粒对比度，然后分析连续帧之间的颗粒位移，计算出表面速度矢量场。
  • 质量流率与床层厚度测量： 在颗粒收集器下方安装称重传感器，通过测量质量随时间的变化来计算稳态质量流率。床层厚度采用激光位移技术测量，在受热区域下方将线激光投射到流动表面，通过激光线的位移来推算颗粒床的厚度。
• 实验流程： 在每种辐照热流条件下，将颗粒从料斗引入倾斜平面，使其在重力驱动下流动。同时，开启HFSS对流动区域进行辐照加热。使用上述测量设备同步记录颗粒流达到准稳态（quasi-steady state， 约需不到3分钟）后的表面温度分布、表面速度分布、稳态质量流率以及床层厚度。实验对比了室温（无辐照）与三种不同辐照强度下的流动行为。

2. 数值建模流程

为了深入理解实验观测到的现象背后的热传递机制，研究团队开发了一个伪二维（pseudo-two-dimensional）瞬态热质传递模型。

• 模型框架： 采用一相（颗粒相）连续介质方法，在二维（yz平面）模拟域上进行求解。模拟域位于颗粒流宽度方向的中心线（x=40毫米），此处入射辐射最强，且假设流动特性和辐射热流关于中心线对称以简化模型。
• 控制方程与关键物理机制： 模型的核心是能量守恒方程，考虑了以下几个关键物理过程：
  • 对流项： 由颗粒流速（up）引起的能量输运。模型的关键创新之一是引入了深度依赖的流速剖面。它并非简单假设均匀流速，而是基于实验测得的自由表面速度（up,s）和床层厚度（dbed），结合一个从先前倾斜平面颗粒流实验中推导出的粘度模型，来计算流动内部不同深度（y方向）的流速分布。该模型显示速度随深度增加呈抛物线型衰减。
  • 传导项： 通过有效热导率（kp,eff）描述的热扩散。有效热导率采用Zehner-Bauer-Schlünder (ZBS) 模型进行计算，该模型综合了颗粒接触传导、气体空隙中的传导与对流以及颗粒间的热辐射贡献。
  • 内热源项： 由吸收的辐射能提供。模型考虑了高辐照的穿透性，采用比尔-朗伯定律（Beer-Lambert law）来计算辐射在颗粒流深度方向的衰减和吸收。约80%的辐射能被表层颗粒吸收，但仍有部分能量穿透到更深的层中。
  • 边界条件： 上表面（y=0）考虑了与环境的对流和辐射热损失；下表面（y=dbed）假设为绝热边界（模拟氧化铝板的隔热作用）；入口（z=0）设定为室温300 K；出口（z=L）采用开放边界条件。
• 求解方法： 使用有限差分法对空间进行离散化，将偏微分方程组转化为常微分方程组，并在MATLAB环境中利用ode15s求解器进行时间积分。
• 模型输入与验证： 模型的输入参数包括实验测量的稳态自由表面速度、质量流率、床层厚度、颗粒热物性（密度、比热、吸收率、发射率等）以及空间分布的非均匀辐射热流图。模型的主要输出是颗粒流内部（包括表面和深度方向）的温度时空分布。模型预测的稳态表面温度将与实验测量结果进行直接对比，以验证其可靠性。

四、 主要研究结果

1. 实验观察结果：高辐照显著改变倾斜平面颗粒流行为

• 温度分布： 在HFSS辐照下，颗粒自由表面温度迅速上升，约1分钟内升温速率最高，随后趋于准稳态。由于颗粒流的平流（advection）效应，最高温度点出现在灯焦点中心下游约30毫米处。温度在流动方向（z向）上因灯功率空间分布而呈现梯度，在600 kW/m²条件下观测到的最高表面温度达到1168 K（约895°C），高于400 kW/m²条件下的1043 K。
• 流速场与流型变化（核心发现）： 这是本研究最关键的实验发现。
  • 室温流动： 颗粒自由表面速度在流动宽度中心区域最快，靠近两侧氧化铝壁面处速度减慢甚至停滞，呈现典型的中心高速、两侧受壁面摩擦影响的流型。流速沿斜面略有加速。
  • 高温辐照流动（以600 kW/m²为例）： 流动行为发生根本性改变。由于非均匀辐射加热在流动中心区域产生了最高温度，而升高的温度显著增强了颗粒间的滑动摩擦系数，导致中心区域的流动阻力增大。因此，最快的表面速度不再出现在中心，而是出现在中心两侧温度稍低的区域，形成了独特的“M”形速度剖面。随着向下游流动，中心区域温度持续升高，摩擦进一步增大，使得中心速度相对两侧峰值速度的差距（Δup,s）从20毫米处的0.02 m/s扩大到出口处的0.045 m/s。这表明颗粒“倾向于”流向摩擦力更小的区域。同时，壁面附近的停滞颗粒区域比室温下更明显。
• 质量流率与床层厚度： 随着辐照热流增加（温度升高），稳态颗粒质量流率显著下降（从室温的~31.5 g/s降至600 kW/m²下的~20.8 g/s），这与高温下颗粒间摩擦增大的预期一致。床层厚度则随温度略有增加（从~3.54毫米增至~3.95毫米）。颗粒体积分数在不同条件下保持相对恒定（~0.57-0.59）。

2. 数值模型结果：揭示深度依赖的热传输机制

• 模型验证： 模型预测的中心线（x=40毫米）稳态表面温度与实验测量值高度吻合。通过皮尔逊相关系数（Pearson’s correlation coefficient）定量评估，三种辐照条件下的相关系数r均大于0.9，表明模型能可靠地捕捉表面热行为。
• 内部温度分布与热传递洞察（核心建模发现）：
  • 瞬态行为： 模拟显示，颗粒流不同深度达到稳态所需时间差异巨大。表层（y毫米）因流速快、直接吸收辐射，约3分钟即达稳态。而底部层（y=3.5毫米）由于流速极慢、接收的辐射能极少（穿透到底部的能量不足总量的2%），需要近30分钟才能缓慢升温至稳态。
  • 稳态温度梯度： 在稳态下，颗粒流内部存在极其陡峭的温度梯度。以600 kW/m²条件为例，在出口处（z=200毫米），表面温度（y=0）因下游辐射减弱而降至约1000 K，而底部温度（y=3.5毫米）仅为626 K。这种巨大的温差源于两个主要原因：1) 辐射在颗粒流中的快速衰减，大部分能量被表层吸收；2) 颗粒床的有效热导率很低，阻碍了热量从热表层向冷底层的传导。此外，上层快速移动的颗粒像“传送带”一样，将吸收的热量迅速带出模拟区域，进一步限制了向底层传热。
  • 热传输主导区： 模拟结果表明，绝大部分热能是由流动的上层（顶部几毫米）颗粒输运的。计算出的出口平均整体温度（考虑速度和温度的深度分布）为798 K，远高于底层温度，但低于表面峰值温度。

五、 研究结论与意义

本研究通过结合创新性实验和数值建模，首次系统揭示了在非均匀高强度辐射加热下，倾斜平面颗粒流行为发生的显著变化及其对热传输过程的深刻影响。

结论： 1. 颗粒流的流动行为（速度分布、质量流率）强烈依赖于温度，其根本原因是颗粒间摩擦系数随温度升高而增大。在实际非均匀辐照下，这会导致局部摩擦差异，从而改变流型（如形成M形速度剖面）。 2. 即使对于毫米级厚度的薄层颗粒流，在快速辐射加热下也会产生显著的深度方向温度梯度。这主要归因于辐射衰减、非牛顿流体特性的速度剖面（底部流速极慢）以及颗粒床固有的低有效热导率。 3. 热能的传输主要由流动的上层颗粒主导，底层颗粒移动缓慢且温度较低。

科学价值与应用意义： * 对太阳能接收器设计的修正： 本研究挑战了许多现有研究中将薄层颗粒流简化为单一温度、采用一维热质平衡进行设计的惯例。研究表明，忽略流动行为变化和内部温度梯度，可能导致对出口颗粒温度预测出现严重偏差。例如，预测温度可能低于实际表面温度，从而可能引发因超过材料温度极限而导致的系统故障（如接收器窗口或结构损坏）、增加对环境的辐射损失，并加速颗粒本身热物性和光学性能的退化。本研究强调了在设计和性能评估中必须考虑温度依赖性流动特性和深度方向热传递的重要性。 * 优化方向： 研究指出，减少颗粒床厚度可能有助于提高颗粒流的整体出口温度，因为可以减轻底部低温层的“拖累”效应。这为接收器优化提供了明确方向。 * 方法学贡献： 开发的伪二维热质传递模型，尽管有简化假设（如二维域、经验粘度模型），但为分析此类复杂流动中的热传递提供了有效工具，并能与更高级的计算流体动力学（CFD）模拟相结合，形成性能分析的基础。 * 研究扩展基础： 本研究聚焦于倾斜平面流，但其关于温度依赖性流动和热传递的见解可推广至其他类型的颗粒接收器，如自由落体式、阶梯式等，为下一代CSP系统向更高效、更可靠、更低平准化度电成本（Levelized Cost of Electricity， LCOE）的方向发展提供了关键知识。

六、 研究亮点

1. 首次实验观察： 首次在真实的高通量非均匀辐射加热条件下，直接观察并量化了颗粒流行为因温度变化而产生的动态改变，特别是捕捉到了从中心高速流向M形双峰流型的转变。
2. 揭示关键机理： 明确地将流动行为变化归因于温度依赖的颗粒摩擦特性，并将非均匀加热导致的局部温度差异与局部流动阻力变化直接联系起来，阐明了其物理机制。
3. 创新性模型开发： 开发了一个结合深度依赖流速剖面、辐射穿透和有效热导率的伪二维热质传递模型，该模型成功预测了表面温度，并首次清晰揭示了此类流动中存在的极端内部温度梯度及其成因。
4. 对工程实践的直接影响： 研究结论直接指出了现有太阳能颗粒接收器设计范式中可能存在的缺陷，并提供了用于改进设计和性能评估的具体物理见解与分析方法，具有重要的工程指导价值。

七、 其他有价值的补充

研究也坦诚地指出了自身的局限性：实验主要局限于自由表面的测量，缺乏对流动内部速度和温度分布的详细表征。数值模型虽然提供了内部洞察，但尚未得到内部实验数据的完全验证，且其简化假设可能导致与实际情况的偏差。作者提出，未来的研究可以基于本工作的实验和模型框架，扩展至三维模拟，或采用更高级的计算工具（如MFIX或Fluent），结合已测量的温度依赖性颗粒摩擦属性，进行更精确的流动-传热耦合模拟，从而为大型化、兆瓦级乃至吉瓦级CSP系统的优化设计奠定更坚实的基础。