翅片特性与布局对相变材料(PCM)热行为影响的数值模拟研究

本研究针对相变材料(PCM)导热性差导致的热能存储效率瓶颈，通过建立基于焓法(Enthalpy-based method)的三维数值模型，系统分析了翅片位置、材料属性及加热管布局对月桂酸(Lauric Acid)熔融过程的影响。研究发现：底部翅片布置可消除热陷阱区域，使熔融速率提升40%；铜翅片导热性能最优，铁次之，镍铬合金最差；Rayleigh-Bénard对流会形成波状固液界面并引发Nusselt数振荡。该研究为优化潜热储能系统(LHTES)设计提供了理论依据。

　　

随着全球能源结构转型加速，相变材料(Phase Change Material, PCM)因其高潜热存储密度成为热能管理领域的研究热点。月桂酸(Lauric Acid)、十六烷等有机PCM虽具有优异的储热性能，但其固有缺陷——低热导率(通常低于0.5 W/m·K)严重制约了充放热速率。这一问题在太阳能热发电、动力电池热管理等领域尤为突出：当PCM无法快速吸收或释放热量时，系统会出现局部过热或能量利用率下降。更棘手的是，传统实验方法难以捕捉熔融过程中复杂的固液界面演变与多物理场耦合现象，这使优化设计缺乏理论指导。

针对这些挑战，加拿大卡尔加里大学的研究团队在《Journal of Energy Storage》发表了一项突破性研究。该工作通过自主开发的FORTRAN程序，首次系统揭示了翅片参数与PCM熔融动力学的定量关系。研究发现，将铜翅片布置在加热壁底部可使熔融时间缩短54%，而镍铬合金翅片由于导热系数不足(k=11 W/m·K)会形成明显热阻。更引人注目的是，研究首次通过数值模拟捕捉到Rayleigh-Bénard对流引发的界面波动现象，这种涡旋结构使Nusselt数呈现周期性振荡，为解释PCM非均匀熔融提供了新视角。

研究采用三项关键技术：1) 基于焓法(Enthalpy method)的相变模型，精确追踪固液界面；2) 三阶TVD通量限制格式处理对流项，增强数值稳定性；3) 混合非稳态PISOR算法求解压力-速度耦合。这些方法组合有效克服了传统模拟中界面模糊、数值耗散等问题。

翅片位置的热力学效应
对比顶部、中部、底部三种翅片布局发现，底部布置能最大化利用自然对流：熔融初期，液态PCM沿翅片上升形成热羽流，使熔化前沿呈不对称发展；而顶部翅片会阻碍热流上升，形成热陷阱区域。定量数据显示，底部翅片方案的熔化速率比传统中部布置快1.8倍。

材料选择的性价比平衡
铜(k=401 W/m·K)、铁(k=80 W/m·K)、镍铬合金(k=11 W/m·K)的对比表明，当导热系数超过100 W/m·K后，性能提升趋于平缓。铜翅片虽性能最优，但成本是铁的5倍；而镍铬合金由于低导热性，其固液界面厚度比铜方案增加70%，验证了材料选择需要权衡导热性与经济性。

加热管构型的影响
线型排列与交错排列的对比实验显示，在Ra>10⁵的高瑞利数工况下，交错布置能产生更强烈的湍流混合，使Nusselt数峰值提升22%。但该优势在低Ra数时会消失，说明对流强度决定构型选择。

这项研究建立了PCM-翅片系统的优化设计准则：底部铜翅片配合交错管排是最佳组合。其意义不仅在于提供具体参数选择方案，更开创性地揭示了Rayleigh-Bénard对流对PCM熔融的调控机制。该成果可直接应用于太阳能集热器、电动汽车电池热管理等工程实践，据估算可使储能系统效率提升15-20%。未来研究可进一步探索纳米流体增强型翅片的协同效应，为开发新一代高效储能系统铺平道路。