相变材料与热边界相对位置对环形单元熔化传热影响规律的数值分析

在保证相变材料质量与加热面尺寸一定的条件下,分别设计外环加热与内环加热2种环形相变单元,采用焓-多孔介质模型对相变传热过程进行模拟,并通过实验验证该文数值计算方法的正确性。在此基础上,针对22种单元进行65、75、85℃这3种定壁温边界下的数值模拟,对其熔化速率和典型位置温度进行对比分析。研究结果表明:在3种温度边界条件下,外环加热单元与内环加热单元熔化分数随时间变化曲线均存在交点,随温度的升高熔化分数交点分别为90%、88%及84%。在交点以下,内环加热设计方案中的相变材料融化更快,在交点以上则结果相反。边界温度升高对外环加热单元底部相变材料温升影响最大,其在相变材料完全熔化时间上优势更明显。     

方腔内合金相变材料的熔化过程

本文利用CFD软件对方腔内合金相变材料在温差作用下的熔化过程进行了数值模拟研究。通过与试验结果的比较,验证了本文采用的模型和算法的正确性。同时,详细研究了熔化过程中合金相变材料的固−液界面、温度及环流速度的变化规律。结果表明,为了减小传热热阻,加快合金的熔化速度,从方腔的侧面和底面加热相变材料时熔化效果最好。     

新型平底型相变蓄热器蓄热性能的数值模拟北大核心CSCD

为了解决相变材料低热导率所引起的换热效果差的问题,向相变材料中添加高导热的金属泡沫材料以加速固液相变过程、提升整体蓄热效率。然而,浮升力导致高温流体堆积在蓄热单元顶部,蓄热单元底部的相变材料较难熔化。为了改善底部难熔的现象,本工作在控制相变材料容积不变的前提下,以一定的比例切除蓄热单元底部,形成新型平底型相变蓄热器。通过数值模拟的方法,对蓄热单元熔化过程中的熔化率、蓄热量、熔化相界面、速度分布和温度分布进行分析。结果表明,新型平底型相变蓄热器能够有效减少底部难熔区域,从而提高蓄热器整体的蓄热效率。其中底部横切比为0.7时,完全熔化时间最短,比圆管缩短了18.12%。通过模拟结果的对比分析可以发现,去除底部相变材料减小了热源到蓄热器底部(难熔区)的距离,增强了熔化末期底部难熔区域的换热。在熔化末期,横切比为0.7的蓄热单元,在相界面处的流速比圆管的提高了2.10倍。说明底部横切强化了熔化末期蓄热单元底部的传热,减小了蓄热单元底部的低温区域,从而推动了整体的熔化进程。     

泡沫金属蓄能相变材料的传热数值模拟

采用双温度模型对泡沫金属基复合相变材料的传热过程进行数值模拟。通过孔隙努赛尔数描述金属骨架与相变材料之间的传热,定义壁面努赛尔数描述整体传热性能。将方程无量纲化分析斯蒂芬数以及粘度对熔化传热过程的影响。结果表明,自然对流使上部熔体熔化更快;增大斯蒂芬数时,熔化界面推进速度加快,壁面努赛尔数减小;粘度主要影响格拉晓夫数,粘度减小,对流换热增强,熔化界面出现明显倾斜,进一步加强上部区域的熔化界面推进;在熔化后期,粘度越小,壁面努赛尔数越大。     

球体内混合有机材料相变传热特性分析

利用移动热源法对相变材料在球壳内的凝固与熔化过程进行理论分析,得出不同工况条件下相变热量与相变界面随时间变化规律。与有机混合相变材料实验结果对比表明,该理论分析对实际相变过程有很好的预见性。     

金属泡沫内石蜡固液相变蓄热/放热实验

针对解决太阳能热利用过程中所面临的辐射强度不稳定、不连续和不均匀等关键问题,相变蓄热技术常与太阳能热利用系统耦合协同匹配,以实现稳定连续的热量输出。为了强化固液相变蓄热/放热过程、提高系统热储能效率,对金属泡沫内石蜡类相变材料(PCMs)在不同蓄热流体温度下的固液相变蓄热/放热特性开展了实验研究。设计并搭建了相界面可视化的蓄热/放热实验系统,实验过程中使用高清相机对相变过程中的相界面变化进行了记录。同时,通过在蓄热单元内部布置多个热电偶测点,对蓄热/放热过程中的温度变化规律进行了探究。实验结果表明,受自然对流影响,熔化过程中相界面由上至下变化;而凝固过程中由于初始时蓄热单元下部温度较低且存在自然对流,此时相界面自下而上变化。蓄热流体温度越高,熔化所需时间越短,与蓄热流体温度为65℃的工况相比,蓄热流体温度为85℃、80℃、75℃、70℃工况的完全熔化时间分别减少了56.0%、46.7%、15.4%和26.7%。当采用不同温度的流体进行蓄热工况时,相变材料内部温度呈现出具有明显差别的温升规律。尽管如此,当采用相同温度的换热流体进行放热工况时,相变材料的放热温度仍趋于一致。     

双翅片矩形相变储能单元蓄热性能实验研究

以双翅片矩形相变储能单元为研究对象,开展不同边界温度下（50℃、55℃、64℃、69℃、73℃）相变材料熔化过程的可视化实验,通过观察相变材料固液相变界面、温度和液相率变化分析储能单元内相变材料的熔化行为和传热规律,探究不同边界温度对储能单元蓄热性能的影响。研究表明：熔化后期储能单元内出现的熔化死角极大延长了蓄热时间,熔化死角用时比均大于30%;边界温度增加,固液相界面形状无明显变化,相变材料内温度分布及变化趋势相似,但固液相界面演化进程加快,自然对流加强,相变材料内温度分布不均匀性最大增加60%,相变温度最大增加2.9℃;边界温度从50℃提高至73℃时,完全熔化时间缩短510 min,且边界温度越低时(Fo)/(Ste)越大,表明在边界温度较低时,增加边界温度对相变材料的强化传热效果更明显。     

一种余热利用相变石蜡储热过程的数值模拟

基于一种相变储热石蜡,考虑熔化过程中液相的自然对流情况,建立了矩形腔内石蜡熔化过程的数学模型,并利用该模型进行了数值模拟,分析了石蜡熔化过程中的温度场变化、流场变化、相界面移动情况。通过采用铝制翅片的方式强化传热,并分析了翅片位置对该石蜡熔化时间的影响。模拟结果表明,在y=0.1、y=5、y=10、y=15mm时,与不采用翅片相比,储热时间分别缩短了43.1%、52.0%、38.3%、22.2%。研究结果对相变储热器的优化设计有一定意义。     

蓄能互联热泵系统相变装置熔化与凝固过程特性分析

介绍了一种新型的蓄能互联热泵系统。利用数值模拟的方法对填充石蜡C17的球型蓄热单元的熔化与凝固过程进行研究,分析了球壁温度、相变单元尺寸和相变材料初始温度三种影响因素对熔化过程和球壁温度对凝固过程的影响。通过对两个过程对比发现相变单元尺寸对相变过程影响最大,在相同温差条件下完全熔化时间少于完全凝固时间,熔化过程中始终存在的石蜡-壁面与液相石蜡-固相石蜡之间的对流换热过程增加了熔化速率。     

移动式相变蓄热系统数值模拟与优化

以移动式相变蓄热系统为研究对象,通过Fluent软件对其蓄热器进行仿真模拟,分析相变材料蓄热和放热过程中蓄热器内部温度场、固液界面和液相体积比例随时间的变化过程,并对其进行优化。结果表明:相变材料熔化蓄热过程中系统上部分速度快,呈"梨形"结构,但系统内两侧以及底部蓄热过程中存在"死区";通过改变管径大小及数量和添加翅片的方法可提高蓄热系统的换热效率,破除蓄热瓶颈,为移动式蓄热技术和余热利用的研究提供理论依据。     

Numerical study on performance enhancement of latent heat storage unit

建立了考虑液态相变材料自然对流的壳管式相变蓄热单元的三维模型,数值分析了自然对流对相变蓄热过程的影响.对比研究了外侧强化传热管和双侧强化传热管对相变蓄热单元蓄热性能的强化效果.结果表明,液态相变材料的自然对流,会引起固-液界面分布不均匀现象,采用外翅片管可以有效削弱这一现象;采用外侧强化传热管和双侧强化传热管,都可以缩短相变材料完全熔化以及整个蓄热过程所需时间.与采用光管时相比,采用外侧强化传热管时,完全熔化时间减少了18.0%;采用双侧强化传热管时,完全熔化时间减少52.5%.可见,采用带有外翅片的强化传热管,不仅可以削弱自然对流引起的固-液界面不均匀性问题,而且可以强化相变蓄热单元的蓄热性能.     

Numerical simulations on performance enhancement of a cross-flow latent thermal energy storage heat exchanger

基于列管式换热器具有传热面积大、结构紧凑、操作弹性大等优点,使其在相变储能领域具有广阔的应用前景。本文建立一种新型列管式相变蓄热器模型,在不考虑自然对流的情况下,利用Fluent软件对相变蓄热器进行二维储热过程的数值模拟。本文主要研究斯蒂芬数、雷诺数、列管排列方式、肋片数以及相变材料的导热系数对熔化过程的影响,并对熔化过程中固液分界面的移动规律进行了分析。模拟结果表明,内肋片强化换热效果明显,特别是对应用低导热系数相变材料[导热系数小于1 W/(m·K)]的列管式蓄热器,相对于无肋片结构,加入肋片（N_fn=2）可缩短熔化时间52.6%。     

列管式相变蓄热器性能强化的模拟

基于列管式换热器具有传热面积大、结构紧凑、操作弹性大等优点,使其在相变储能领域具有广阔的应用前景。本文建立一种新型列管式相变蓄热器模型,在不考虑自然对流的情况下,利用Fluent软件对相变蓄热器进行二维储热过程的数值模拟。本文主要研究斯蒂芬数、雷诺数、列管排列方式、肋片数以及相变材料的导热系数对熔化过程的影响,并对熔化过程中固液分界面的移动规律进行了分析。模拟结果表明,内肋片强化换热效果明显,特别是对应用低导热系数相变材料[导热系数小于1 W/(m·K)]的列管式蓄热器,相对于无肋片结构,加入肋片(Nfn=2)可缩短熔化时间52.6%。     

同心套管石蜡相变熔化数值模拟分析

以相变材料石蜡作为研究对象,采用数值模拟方法分析同心套管蓄热装置(以下简称蓄热装置)内换热管与石蜡相变的温差(以下简称换热温差)对石蜡相变传热的影响。研究石蜡在不同换热温差下随时间变化的液相率和熔化速率。6种工况下的相变传热过程均为自然对流传热与导热的共同作用,自然对流传热对熔化过程起关键作用,加快了石蜡的熔化速率,上半部分的熔化速率远大于下半部分,造成石蜡液相率分布的不均匀性。换热温差越大,相同时刻的石蜡液相率越大。下半部分未熔化的石蜡未受到浮升力的作用,且未熔化的石蜡离加热管壁面越来越远,导致热阻越来越大,熔化需要的时间越长。采用3/4熔化时间能够提高蓄热效率。     

蓄冷球凝固的FLUENT数值模拟研究

利用计算流体力学软件FLUENT凝固／熔化模型对一种相变材料蓄冷球的凝固过程进行数值模拟研究,得到了在第一类边界条件下蓄冷球凝固过程的温度场分布,相界面移动规律,并分析了凝固时间与壁面温度和球径的关系。本文所得到的结论对相变问题的数值模拟以及相变蓄能装置的设计具有重要的参考价值。     

水平圆管内相变材料接触熔化分析

研究相变材料在水平圆管内的接触熔化过程,考虑了圆管表面与接触熔化固液相界面法向角度的不同,给出新的物理模型,应用边界层理论推导得熔化过程所应该满足的基本方程,用数值方法求得了新的边界层厚度、压力分布、熔化率、熔化结束时间、努谢尔特数,以及熔化、液面高度的变化规律,并进行了分析讨论,与相关文献的解析结果进行了比较。     

基于梯度孔隙率金属泡沫的复合相变单元储热性能数值模拟北大核心CSCD

向相变材料中添加金属泡沫可以解决相变材料低导热率引起的换热效果较差等问题,提高系统的整体蓄热效率。然而,复合相变材料的传热性能受金属泡沫孔隙率分布的影响较显著,为进一步提高相变储能单元的传热性能,本工作基于低孔隙率金属泡沫-相变材料(PCM)复合储能系统,建立了一种新的梯度孔隙率金属泡沫结构,通过数值模拟方法,对蓄热单元熔化过程中的熔化率、储能速率、储能总量进行分析,系统研究了孔隙率沿加热方向负梯度分布、正梯度分布对复合相变材料熔化速度和储热性能的影响。研究结果表明,负梯度孔隙率结构可以进一步提高储能系统的储热效率,其中,孔隙率梯度为0.12(案例S-6)时增强效果最显著。在熔化周期的不同阶段,负梯度孔隙率对复合材料的传热均有不同程度增强,对于S-6,在1000 s、2000 s、2600 s时,熔化率相较于均匀孔隙率结构分别增加了0.67%、2.31%、9.90%;随着孔隙率梯度的增加,相变材料的热性能提高越显著,与均匀孔隙结构相比,改进的负梯度孔隙率结构其完全熔化时间最高可缩短7.32%,储热速率可提高8.02%。对于正梯度孔隙率结构,其对熔化速度没有显著影响,但是储热总量可提高0.49%。     

矩形腔内相变材料接触熔化的分析

对矩形腔内相变材料紧密接触熔化过程进行了理论分析。应用努谢尔特液体边界层理论，求得了便于工程计算用的接触熔化传热过程的理论解。分析结果与实验数据进行了比较，吻合程度良好。     

菱形腔内相变材料接触熔化分析

对菱形腔内固体相变材料的接触熔化进行了理论分析.建立了菱形腔内接触熔化分析模型,应用Nusselt 液体边界层理论求解接触熔化区熔化液体的流动控制方程,得到了液膜厚度、熔化速度和熔化体积的无量纲解析表达式.对熔化过程中腔体夹角以及熔化温差Ste的影响规律进行了分析,得到了决定固体完全熔化时间的特征参数,为工程应用提供了一定理论参考.     

倾斜矩形腔内接触熔化的实验和理论分析

对倾斜矩形腔内相变材料紧密接触熔化过程应用努谢尔特边界层理论,求得适合工程的理论解。运用图像技术记录7种不同的倾斜角(0°、15°、30°、45°、60°、75°和90°)矩形腔体内相变材料的熔化过程,熔化过程图像采用图像数字化的方法得到其相应的液相分数与时间的关系。分析结果与实验数据吻合程度良好。