太阳能中温集热应用于工业加热、海水淡化、驱动制冷空调和中温热发电等领域的潜力巨大,具有显著的节能优势。常规的太阳能中温集热装置存在聚光工况下吸热管周向温差大引起热应力变形损坏、吸收涂层耐久性差、真空失效等问题,阻碍其推广应用。本文提出了一种基于纳米流体的新型太阳能集热/蒸汽发生器(NSVG),采用无涂层的双层玻璃真空管,管内同轴设置蒸汽发生管,蒸汽发生管与玻璃管之间充满强吸光性的纳米流体,纳米流体吸收太阳能并将热量传递给蒸汽发生管内的工作流体实现蒸汽发生。聚光条件下,纳米流体吸收太阳辐射形成内部非均匀体积“内热源”效应,引起复杂的自然对流并呈现出特殊的温度分布,且对流形态亦随工况变化而发生改变,流动场与温度场相互耦合,并共同对NSVG传热和集热性能产生影响。因而,本文重点对聚光条件下纳米流体非均匀集热-对流形态及耦合传热特性开展研究,主要工作如下:(1)利用蒙特卡罗光线追踪法(MCRT),综合考虑了太阳光线不平行度和入射角变化等因素,建立了槽式太阳能聚光器的三维光学模型,并对模型进行了校验;模拟了不同工况时集热管表面的辐射能流分布,结果表明:太阳入射角为0°时辐射能流在集热管周向分布不均,沿集热管管长方向不变,入射角逐渐增大时集热管表面辐射强度降低并出现明显的端部损失。(2)在对纳米流体集热-传热过程机理分析的基础上,将所得到的聚光工况下集热管表面辐射能流分布作为边界条件,建立了纳米流体非均匀集热-对流传热数学模型,进行CFD模拟计算,并将集热管温度分布和集热效率的模拟结果与已有研究进行比较,验证了模型的正确性。(3)模拟获得了NSVG和传统涂层式太阳能蒸汽发生器(SVG)环形空间内集热流体的流动场,对二者的流动形态进行了对比分析;利用瑞利数Ra表征自然对流强度,分析了各影响因素改变时的流动形态变化规律。结果表明:纳米流体浓度、太阳辐射强度、环形空间结构尺寸对纳米流体流动形态影响较大,而蒸发介质入口温度和入口流速对流动形态影响较小。(4)在对纳米流体流动形态研究的基础上,探讨了环形空间纳米流体流动场与温度场的耦合特性;引入了效率因子F’定量评价集热管温度分布特性对集热性能的影响,分析了不同影响因素下的耦合特性变化规律。结果表明:在聚光集热条件下,相比于传统SVG,NSVG中纳米流体由于非均匀体积“内热源”集热效应所呈现的对流形态与温度分布特征,使得蒸发管处流速更大,流体高温区更靠近主流中心,增强了向蒸发介质的传热,有利于集热性能的提升。