孔隙率与域尺寸对Kelvin结构金属泡沫内相变材料熔融热行为的调控机制研究

为解决相变材料(PCM)导热性差制约其在热储能系统应用的问题，研究人员开展了Kelvin细胞结构铝泡沫内PCM熔融行为的孔隙尺度数值分析。通过模拟不同孔隙率(ε=0.875-0.956)和域尺寸(25.4-101.6 mm)下的相变过程，发现低孔隙率使熔融时间缩短50%，而大尺寸域使熔融时间延长10倍，揭示了从传导主导到对流主导的热传递转变机制，为优化热储能系统设计提供理论依据。

　　

在能源效率与可持续发展成为全球焦点的背景下，热储能(TES)系统因其在空间供暖、工业流程和可再生能源系统中的关键作用而备受关注。然而，相变材料(PCM)固有的低导热性严重限制了其储能效率，这一瓶颈问题长期困扰着研究人员。传统解决方案如添加金属泡沫虽能提升导热性，但孔隙结构和系统尺寸对热传递机制的影响机制尚不明确，特别是Kelvin细胞这类规则结构金属泡沫的孔隙尺度热行为研究仍存在空白。

为破解这一难题，研究人员采用孔隙尺度数值分析方法，聚焦Kelvin细胞结构铝泡沫内PCM熔融过程。通过构建三种不同尺寸的立方体域（小25.4 mm、中50.8 mm、大101.6 mm）和四种孔隙率水平（ε=0.875-0.956），利用焓-孔隙度法模拟相变过程。关键技术包括：基于Surface Evolver构建Kelvin细胞几何模型，通过ANSYS Design Modeller生成纤维结构；采用有限体积法求解质量、动量和能量守恒方程；设置局部热平衡条件验证模型；通过网格独立性测试确保计算精度。

研究结果揭示多个重要发现：

孔隙率效应方面，ε=0.875时的熔融时间较ε=0.956缩短近50%，表明低孔隙率通过增加固体接触面积显著强化热传导。温度场分析显示，小尺寸域中PCM与泡沫温差小于1-2K，验证了局部热平衡假设的合理性。

域尺寸影响层面，当域尺寸从小增至大时，完全熔融时间延长约10倍。速度场可视化表明，小尺寸域呈现均匀传导主导模式，而大尺寸域形成明显D形对流涡旋，峰值流速相差达10倍，证实了尺度效应引发的传热机制转变。

温度分布特征上，大尺寸域顶部区域温度较底部高，形成显著热分层。探针数据表明，ε=0.956时P1与P4点温差达，这种非均匀性源于孔隙增大导致的渗透率提升和浮升力增强。

能量存储性能分析显示，高孔隙率系统虽启动缓慢，但最终储能密度提升，而低孔隙率系统可实现快速充放热。热功率曲线证实，小尺寸域平均热流密度是中、大尺寸域的倍，揭示出响应速度与容量的固有矛盾。

该研究通过多尺度数值模拟，首次系统阐明了Kelvin细胞金属泡沫中孔隙率与域尺寸对PCM熔融行为的协同调控规律。创新性发现传导-对流主导机制转变的临界条件，为面向不同应用场景（如需要快速响应的电子冷却与侧重容量的太阳能储热）的金属泡沫-PCM复合材料设计提供了定量依据。研究建立的孔隙尺度分析方法克服了传统均质化模型的局限，为后续复杂结构优化奠定基础。论文成果发表在《Journal of Energy Storage》，对推动高效紧凑型热储能系统发展具有重要指导价值。