基于肋片和多孔介质的潜热储能系统数值模拟研究

作     者：余子豪 

作者单位：华中科技大学 

学位级别：硕士

导师姓名：李顶根

授予年度：2020年

学科分类：080701[工学-工程热物理] 08[工学] 0807[工学-动力工程及工程热物理] 

主      题：固液相变 格子Boltzmann方法 CUDA 融化增强方法 多孔介质 

摘      要：固液相变过程具有材料体积变化小、相变温差小、吸收/释放潜热大等特征,基于固液相变过程的潜热储能系统被广泛用于能量存储、动力电池热管理以及电子器件散热等领域。但常用的固液相变材料导热性差,并在重力的影响下存在传热不均的现象,使得储热系统热流密度减小、融化速率下降,影响其储能速率以及控温响应速度。常用的增强相变方法是在相变材料中加入高导热物质如肋片、纳米粒子、多孔介质等材料。现阶段关于固液相变流动传热机理的研究以数值模拟研究为主,而如今常用的数值模拟方法可通过修正来进一步提升其算法简易性和准确性,并且多数相关研究都是基于二维模型展开的。在相变速率增强手段的研究中,大多研究都忽略了系统潜热储存能力的下降,并且将不同增强手段相结合的研究较少。这些研究上的不足限制了人们对固液相变传热机理的认识,也成为优化潜热储能系统性能的瓶颈。本文首先通过理论分析揭示了融化问题的本质,并借助格子Boltzmann方法易于处理复杂边界、编程简单等优势,充分考虑了数值扩散误差,建立了描述相变材料对流融化过程的双松弛时间三维格子Boltzmann方程;在此模型的基础上对不同瑞利数、普朗特数以及方腔倾斜角对潜热储能系统对流融化的影响进行数值研究,结果表明,增大瑞利数和方腔倾斜角能有效促进相变材料融化过程;此外,本文将平行不等长双肋、斜肋、树形肋分别加入潜热储能系统进行计算研究,研究结果证明上短下长的平行双肋和细长树形肋对融化过程最有利,并且有效地抑制了液相自然对流带来的融化不均;最后,本文将多孔介质肋片与固体肋片相结合,对不同组合肋片的融化传热影响进行了分析,结果显示组合肋片能有效促进融化传热速率并保持系统的高潜热储存能力。本文的研究明晰了潜热储能系统在不同肋片结构和热物性参数下其对流融化换热性能的变化规律,研究结果可对固液相变潜热储能系统的强化提供理论指导和数据支持。