论文摘要：泡沫复合相变材料传热及其应用的数值研究

当今社会能源危机日趋严重，高效节能与发展可再生能源是解决能源问题的两条主要途径。无论在节能还是在发展可再生能源方面，蓄热技术都显得极为重要。采用固液相变材料（Phase Change Materials，PCMs）的潜热蓄热方式因其蓄热密度高、储热/释热过程近似等温的特点，近年来被广泛应用于太阳能利用、工业余热回收、电子设备热管理、电力移峰填谷等众多领域。但大多数PCM导热系数都较小，换热性能差，致使相变蓄热装置无法快速地完成热量的储存和释放；此外，对于某些PCM尤其是高温盐类PCM还存在固液相密度差较大，PCM在相变过程中发生很大的体积收缩/膨胀，会在PCM蓄热容器内产生热阻极大的空穴，空穴的集中分布极大的恶化了PCM容器内的传热，严重影响PCM容器的使用寿命和蓄热装置的热性能。因此，如何强化PCM的导热性能以及控制空穴的集中分布，对改善蓄热装置热性能，使相变蓄热能够得到更加广泛的实际应用具有极为重要的意义。采用填充泡沫与PCM复合而成的泡沫复合相变材料（Foam Composite Phase Change Material，FCPCM）的方法，泡沫骨架在强化PCM导热的同时还能分散空穴的分布，有效的限制空穴集中分布产生的恶化PCM传热的影响。本文对FCPCM的传热理论及其相关的应用进行了数值模拟研究，主要研究内容包括以下三个方面。（1）FCPCM导热模型的研究。建立了基于非连续介质模型的分形模型和基于连续介质模型的立体骨架模型，并分别对其导热模型进行了相应的理论分析；基于PCM相变过程中因PCM固液相密度差产生的体积变化，还将后者分为考虑空穴影响和不考虑空穴影响的导热模型。通过结构模型有效导热系数的分析，考察了材料热物性参数（PCM和泡沫骨架导热系数，PCM固液相密度差）和泡沫结构参数（泡沫孔隙率和平均孔径）的影响。（2）重力下PCM相变过程中液态PCM自然对流对FCPCM传热影响的研究。对经典的矩形腔体模型进行了数值模拟研究，基于连续介质的体积平均方法，建立了质量、动量和能量方程，其中动量方程考虑了Brinkman-Forchiemer修正的Darcy模型，考虑到泡沫骨架材料与PCM间热物性系数相差较大造成的局部非热平衡采用了双能量方程；采用焓法模型处理PCM的相变潜热，采用SIMPLER算法求解流场；所得计算结果与已有文献结果吻合较好。对纯PCM和FCPCM传热模型进行了比较。此外，通过速度场和温度场分析，考察了泡沫材料导热系数、泡沫孔隙率和平均孔径对FCPCM传热的影响。（3）FCPCM相关应用的研究。对移动电子设备（笔记本电脑）CPU芯片散热蓄热、管壳式相变蓄热以及高温相变蓄热单元管等FCPCM的实际应用进行了数值研究和分析，以求证FCPCM的实际应用价值及其对蓄热装置热性能的改善。考察了多种参数对FCPCM蓄热系统热性能的影响。将一些计算结果与目前所能够得到的文献资料与实验数据相对比，所得计算结果有较好的吻合性，说明了本文的理论模型计算的准确性。

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