基于CLBM的含NEPCMs赫歇尔-巴克雷流体三维热腔体自然对流与传热特性研究

本研究针对含纳米封装相变材料(NEPCMs)的赫歇尔-巴克雷流体(HBF)在带三个垂直加热凹槽板腔体内的自然对流问题，采用GPU加速的级联格子玻尔兹曼法(CLBM)进行模拟。研究发现当Ra=106且Ste=0.2-0.8时，等温线均匀扁平化显著增强传热，最高Ra和最低Bn条件下平均努塞尔数(Nu)提升72.30%，所建立的Nu数学关联式具有优异预测精度，为新型相变流体储能系统设计提供重要理论依据。

　　

本研究深入探讨了含有纳米封装相变材料(Nano-Encapsulated Phase Change Materials, NEPCMs)的赫歇尔-巴克雷流体(Herschel–Bulkley Fluid, HBF)在具有三个垂直加热凹槽板的腔体内的自然对流(Natural Convection, NC)现象。通过采用基于中心矩的数值稳定的级联格子玻尔兹曼法(Cascaded Lattice Boltzmann Method, CLBM)，并结合GPU计算加速技术，对热传递机制、相变行为和整体热性能进行了系统分析。

凹槽板保持加热温度Th，而腔体左右壁面维持冷却温度Tc。NEPCM纳米颗粒具有核壳结构，其中相变材料(Phase Change Material, PCM)主要集中于核心区域。研究考虑了多个关键参数：宾汉数(Bingham number, 0≤Bn≤1)、幂律指数(n=0.85)、体积分数(?=0.04)、普朗特数(Pr=16.6)、融合温度(0.2≤θf≤0.8)、瑞利数(Rayleigh number, 104≤Ra≤106)和斯蒂芬数(Stefan number, 0.2≤Ste≤0.8)。

结果表明，随着Ra和融合温度(θf=0.2,0.6,0.8)升高，加热壁附近的流线模式扩展，而冷壁附近的强度减弱。在Ra=106且0.2≤Ste≤0.8条件下，等温线均匀扁平化从而增强热传递。在恒定Bn条件下，Ra的增加对热容量产生显著影响，最高Ra和最低Bn时平均努塞尔数(Nu)峰值提升72.30%。研究还建立了Nu的数学关联式，显示出优异的预测准确性。