基于拓扑结构的熔化优化在CuO掺杂相变介质中的应用：一种用于提升热存储性能的数值框架

《Energy Technology》：Topology-Guided Melting Optimization in CuO-Doped Phase Change Media: A Numerical Framework for Thermal Storage Enhancement

石蜡复合材料RT42与4wt% CuO纳米颗粒复合后，在五种不同加热墙几何结构下的熔化与热存储性能研究显示，纳米颗粒使导热率提升至0.45 W/m·K，加速熔化过程。经数值模拟验证，熔化效率最高达100%，热存储峰值达42 kJ（基准33.5 kJ），温度均匀性提高。优化结构促进多细胞涡流，增强传热效率，适用于太阳能、电子及电池冷却系统。

　　

摘要

本研究通过数值模拟，探讨了RT42石蜡相变材料（PCM）在添加了4 wt% CuO纳米颗粒后的熔化性能和热存储性能，同时考虑了五种不同加热壁几何结构以及一个参考情况。实验使用了一个尺寸为50毫米×100毫米的二维矩形封闭空间，该空间的一侧以1000瓦特每平方米（1000 W/m2）的功率进行加热，其他侧壁均采用绝缘处理。CuO纳米颗粒将PCM的导热系数从0.15 W/m·K提高到了0.45 W/m·K，从而加速了熔化和热量传递过程。利用焓-孔隙度模型，研究人员成功模拟了受浮力驱动的熔化过程，验证结果的偏差小于2%，且在0.8毫米的网格分辨率下模型具有较好的网格独立性。在7000秒时，案例IV至V的液态相分数达到了98%至100%，而参考情况下仅为85%；同时，存储的能量峰值达到了42千焦（kJ），比基准情况（33.5千焦）高出约25%。案例V的域平均温度为305.1开尔文（K），而参考情况的平均温度为303.8开尔文，这表明案例V的熔化更为完全。采用扩展型或倾斜式的壁结构可以产生多胞对流涡流，从而提高热均匀性并增强能量充电速率。研究结果表明，通过优化壁结构并结合CuO增强型PCM，可以显著提升热吸收效率、熔化均匀性和能量存储效率，使得该系统非常适合用于太阳能、电子设备和电池冷却等热管理应用。

利益冲突

作者声明不存在任何利益冲突。