基于固液界面运动速度的翅片优化结构对潜热储热单元热性能的提升研究

针对水平壳管式潜热储热系统(LHTES)因相变材料(PCM)导热性差导致的传热效率低问题，兰州交通大学团队提出基于固液界面运动速度的翅片结构优化方法。通过耦合翅片高度与角度优化设计，使平均传热速率提升超106%，为相变储热单元结构优化提供了新思路。

　　

随着全球对清洁能源需求的增长，太阳能因其分布广、无污染等优势成为研究热点。然而太阳能的间歇性供应与人类用能需求存在时间错配，这使得储热技术成为解决问题的关键。在众多储热方式中，潜热储热系统(Latent Heat Thermal Energy Storage, LHTES)凭借相变材料(Phase Change Material, PCM)的高储能密度备受关注，广泛应用于太阳能存储、建筑节能等领域。但PCM的低导热性严重制约其性能，如何通过结构优化提升传热效率成为当前研究难点。

兰州交通大学的研究团队在《Journal of Energy Storage》发表论文，创新性地提出基于固液界面运动速度的翅片优化方法。通过分析裸管LHTES单元熔化过程中固液界面移动速度的分布规律，建立了翅片几何参数与界面速度的关联模型，采用焓-孔隙度法(enthalpy-porosity method)模拟瞬态相变过程，开发出耦合翅片高度与角度优化的综合结构。

主要技术方法
研究采用计算流体力学模拟，通过2D模型简化水平壳管式LHTES单元，保持热传输流体(HTF)温度沿流向恒定。基于裸管单元中固液界面运动速度的空间差异，量化不同区域的传热不平衡度，据此设计非均匀翅片结构。通过对比常规均匀翅片结构，验证优化方案的有效性。

物理模型
建立包含优化翅片结构的水平壳管式LHTES单元二维模型，重点分析自然对流对PCM熔化速率空间分布的影响。研究发现裸管单元上部区域因浮力作用率先熔化，下部区域滞后，这种不平衡现象成为优化设计的理论基础。

翅片结构优化方法
通过计算不同方向固液界面平均运动速度（距离与熔化时间的比值），确定翅片高度与角度的优化参数。具体包括：1）翅片高度优化结构，通过调整径向延伸长度补偿传热差异；2）翅片角度优化结构，改变周向布置角度改善热流分布。

均匀翅片结构的影响
对比5种不同数量均匀翅片的熔化过程发现，增加翅片数量虽能加速初期传热，但会加剧上部区域过热现象。在熔化后期（>60分钟），过多翅片反而会阻碍自然对流，证明均匀结构的局限性。

优化结构的性能
实验数据显示：翅片高度优化结构使平均传热速率提升87.2%，角度优化结构提升20.8%。而通过耦合两种优化方法形成的综合结构，传热性能提升达106%以上。温度场分析表明，优化结构有效均衡了各区域熔化速率，缩短总相变时间。

结论与意义
该研究首次建立固液界面运动速度与翅片参数的定量关系，提出的耦合优化方法突破传统经验式设计的局限。相较于文献报道的树状翅片（提升66.2%凝固速率）和梯度翅片（减少48.9%熔化时间），本方案展现出更显著的性能提升。研究成果为LHTES系统设计提供理论指导，特别对解决水平储热单元的区域熔化不平衡问题具有重要价值，可推广应用于太阳能电站储热、工业余热回收等领域。

（注：所有数据与结论均源自原文，作者Yang Hu、Kun Zhang等团队获得甘肃省科技计划等项目支持）