仿生掌状网状翅片结构对相变材料储热性能的多目标优化研究

针对相变材料(PCM)导热系数低导致的储/放热效率低下问题，研究人员创新性提出仿生掌状网状翅片结构，通过CFD-RSM-GA多目标优化方法，使翅片结构在熔融时间缩短79.6%的同时热传递效率提升468.7%，为可再生能源间歇性问题提供了高效储热解决方案。

　　

随着全球能源结构转型加速，可再生能源的间歇性成为制约其大规模应用的关键瓶颈。以相变材料(PCM)为核心的潜热储存(LHS)技术虽能实现时空能量调节，但PCM固有的低导热性导致储/放热周期过长。传统金属翅片虽能改善传热，但存在温度分布不均、空间填充不足等缺陷。自然界中掌状叶脉高效输运的进化智慧，为这一工程难题提供了全新解决思路。

山东某高校研究团队在《Journal of Energy Storage》发表的研究中，首次将植物叶脉分形结构引入三管式换热器(TTHX)设计。通过建立翅片弯曲角α、分支肋变化率m、间距n及长度θ的四变量体系，采用计算流体力学(CFD)模拟结合响应面法(RSM)与遗传算法(GA)的多目标优化策略，揭示了仿生翅片强化传热的三大机制：分支肋弯曲度改变PCM空间分布、间距调整影响径向熔融进程、长度增加促进全域相变。

关键技术包括：1)基于Centella asiatica叶脉的仿生结构建模；2)采用中心复合设计(CCD)构建四因素五水平实验矩阵；3)定义液相分数0.98为完全熔融阈值；4)通过NSGA-II算法同步优化熔融时间与总传热率。

研究结果显示：

1. 物理模型验证：掌状网状翅片较无肋结构使传热效率提升403.9%，熔融时间缩短74.8%。熔融等值线分析表明，分支肋弯曲度显著改变PCM空间分布模式。
2. 参数敏感性：减小分支肋变异率可加速内环PCM熔融，间距扩大影响径向传热，肋条长度增加则显著提升全域相变效率。
3. Pareto最优解：优化后的翅片结构实现熔融时间减少79.4%-79.6%，传热效率提高467.2%-468.7%，突破传统翅片的性能极限。

该研究开创性地将生物进化智慧转化为工程解决方案，其创新价值体现在：1)建立仿生结构与热性能的定量映射关系；2)开发出适用于LHS系统的多目标优化范式；3)为高能量密度储能设备设计提供新标准。研究结果对提升太阳能热发电系统效率、工业余热回收等领域具有重要应用前景，标志着仿生热管理技术从概念验证迈向工程实践的关键突破。