固液相变材料储能过程传热机制的数值模拟

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研究背景

      相比于发达国家，我国的总体能源利用效率相对较低，非化石能源在一次能源总消费中的占比也很低。为了改变能源驱动经济的增长模式，控制二氧化碳和环境污染物的排放，提高能源利用率和进一步扩大清洁能源在能源结构中的占比势在必行。蓄热技术由于可以协调能量在时间与空间尺度的分配，在回收工业余热、助力电力的削峰填谷、应对风电和光电的时间波动性方面都可以发挥很大的作用，其中相变蓄热技术以其储热密度大、储放热过程中温度稳定等优势，成为了近年来储能领域的研究热点。

创新点及解决的问题

      影响相变换热过程的因素很多，相变换热过程中的流动和换热的耦合作用物理机制研究有待进一步深入。因此，本文采用计算流体力学方法，针对采用低温相变无机盐换热材料的管壳式相变换热器的二维模型和三维模型，计算了相变换热-流动-结构之间的多物理场的耦合作用，研究对比分析了换热流体入口温度、是否考虑自然对流、管道布置方式等因素对相变储能过程中换热流动机制的影响和差异性。

重点内容导读

      首先进行了几何建模并引入了一些假设以简化问题，之后给出了控制方程与相关的无量纲参数，并对模型与网格的合理性进行了可行性验证，与文献的对比结果说明本文的计算方法可以正确揭示相变过程的物理机制。在证明了模型与网格的合理性之后，首先进行了二维模型的融化和凝固过程的数值模拟，分析了入口温度与自然对流对相变过程的影响，并对比了壁面当地Nu数与平均拟涡能的关系。之后对三维模型进行模拟，分析了三维融化过程与二维计算的区别与共同点，并给出了出口温度与管壁平均Nu数的关系式。最后分析了换热管水平放置和竖直放置对换热效率的影响。

结论

(1) 换热管入口温度对储/放热过程的相变速率均有非常明显的影响，入口温度与相变点温度的温差越大，相变速率越快；

(2) 储热过程中自然对流在相变材料融化储热过程中起到热传递的主导地位，而凝固过程中热传导占据热传递的主导地位；

(3) 液相区域的拟涡能分布与自然对流相关，可以用拟涡能分布来刻画自然对流对传热过程的促进作用；

(4) 换热管的出口温度与换热管管壁平均努塞尔数Nu线性相关。

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