利用纳米颗粒和新型散热结构对相变材料进行热强化

《Materials Today Sustainability》：Thermal Enhancement of Phase Change Materials Using Nanoparticles and Novel Finned Structures

熔盐基纳米增强相变材料（NEPCM）结合分形鳍结构的热性能优化研究。采用孔隙-焓方法数值模拟和多层感知机（MLP）神经网络模型，分析不同分形鳍几何（分支长度向下递减或递增）与Fe?O?-Cu混合纳米粒子对熔化动力学的影响。结果表明，纳米粒子使总熔化时间缩短41%，分形鳍优化设计（向下分支递增）显著提升热传导与自然对流协同效应，ANN模型预测相关系数达0.98以上，误差率低于3.5%。热性能关键参数为纳米粒子浓度（401 W/m·K导热率）和鳍结构分支比例。

　　本研究聚焦于相变材料（PCMs）在热能储存系统中的应用，并探索了如何通过引入新的分形鳍结构来提高熔盐基纳米增强相变材料（NEPCM）的热传递效率和熔化动力学特性。通过将具有不同分支长度变化的分形鳍结构设置在容器的下部，研究人员发现这些结构能够显著改善熔盐基NEPCM的热性能。该研究还结合了计算流体力学（CFD）建模和人工神经网络（ANN）模型，以预测熔化过程中的关键参数，如熔化百分比、平均温度和努塞尔数（Nusselt number）。实验与模拟结果均表明，引入纳米颗粒和优化鳍结构是提升相变材料热性能的有效策略。

相变材料因其高能量密度和在相变过程中保持恒定温度的能力，成为热能储存技术中备受关注的材料。然而，传统PCMs存在热导率低的问题，这限制了它们在高热流应用中的效率。为了解决这一问题，研究者开始将纳米颗粒加入相变材料中，以增强其热导性能。纳米增强相变材料（NEPCMs）的引入使得相变材料的热导率、比热容和相变动力学等特性得到了显著改善。例如，铜纳米颗粒具有极高的热导率（约398 W/m·K），能够有效提升材料的导热能力。而四氧化三铁（Fe₃O₄）纳米颗粒则因其特殊的磁性，有助于增强纳米颗粒的分散稳定性，并可能通过磁辅助热传递进一步提升材料的热性能。这些纳米颗粒的协同作用，特别是在适当混合的情况下，可能产生比单一材料更大的热增强效果。

在本研究中，研究人员采用了一种创新的几何设计策略，即在容器底部引入分形鳍结构，以优化热传递路径。他们研究了三种不同的鳍结构配置：第一种是无鳍的基准案例，第二种是分形鳍结构，其分支长度随着位置下降而逐渐缩短（类型1），第三种是分支长度随着位置下降而逐渐增长（类型2）。此外，还研究了鳍结构位置的对称配置（案例4和案例5）。这些鳍结构的设计旨在通过增加相变材料与热传递表面的接触面积，从而促进更高效的热传导和自然对流。研究表明，分形鳍结构能够显著缩短熔化时间，特别是当分支长度逐渐增加时，其在底部区域的热传导能力得到了有效提升，从而改善了整体热性能。

为了评估这些配置的热性能，研究人员使用了孔隙度-焓法进行数值模拟，并开发了一个基于多层感知器（MLP）架构的人工神经网络模型。该模型利用了计算与实验数据进行训练，能够在多种测试条件下准确预测熔化百分比、平均温度和努塞尔数，其相关系数超过了0.98，平均相对误差低于3.5%。这表明ANN模型不仅能够有效模拟热传导过程，还具有良好的泛化能力，可以用于快速预测和优化热能储存系统的性能。此外，模型的敏感性分析揭示了两个最关键的因素：纳米颗粒的浓度和鳍分支长度的比率。这两个参数对热性能的影响最为显著，因此在未来的优化研究中，应重点关注如何调整它们以达到最佳的热传递效果。

在模拟过程中，研究人员设置了矩形容器，并在其中填充了熔盐作为相变材料。容器内部的加热管保持恒定温度（520 K），以确保相变材料能够完全熔化。在无鳍的情况下，相变材料的熔化速度较慢，而引入分形鳍结构后，熔化速度明显加快。特别是类型2的鳍结构，其底部分支长度较长，能够促进更多的热传导路径，并改善底部区域的热传递效率。与此同时，类型1的鳍结构虽然在顶部区域提供了良好的热传导通道，但其对底部区域的热传递效果相对较弱。因此，类型2的鳍结构在整体热性能方面表现更优。

研究还发现，分形鳍结构的位置对热传递效果有重要影响。当鳍结构位于容器的上部时，虽然在初期阶段能够促进较强的自然对流，但其对底部区域的热传导效果有限。相反，当鳍结构设置在容器的下部时，能够更有效地提升底部区域的热传导能力，从而实现更均衡的热分布。这种鳍结构的优化设计对于提高相变材料的热储存效率具有重要意义，尤其是在高温度应用中，如太阳能热能储存和工业余热回收系统。

通过对比不同配置的热性能，研究人员发现，纳米颗粒的加入显著提升了相变材料的熔化速度。例如，在类型2的鳍结构配置下，熔盐基NEPCM的熔化速度比纯PCM快了约41%。这表明，纳米颗粒不仅能够增强材料的导热能力，还能通过改变相变材料的微观结构，提升其热传导效率。此外，热流体温度、鳍的数量和尺寸等因素也对热储存系统的性能产生影响，这些因素需要在设计过程中进行综合考虑。

在模拟过程中，研究人员还注意到，纳米颗粒的分散性和热传导路径的优化对熔化过程具有关键作用。纳米颗粒能够形成更高效的热传导网络，从而加速熔化过程。与此同时，分形鳍结构能够引导热流的流动方向，促进自然对流的发生。这种结构与纳米颗粒的协同作用，使得热能储存系统的整体性能得到了显著提升。此外，通过调整鳍的几何形状和分布，研究人员发现可以进一步优化热传递效率，例如通过增加鳍的长度和调整其位置，可以实现更均匀的热分布，从而提高系统的热储存能力。

本研究的结果表明，结合纳米颗粒和优化的鳍结构设计，能够有效解决传统相变材料在热导率方面的不足。此外，研究还揭示了不同鳍结构配置对熔化过程的影响，以及纳米颗粒浓度和鳍长度比对热性能的关键作用。这些发现为未来的热能储存系统设计提供了重要的参考。通过引入先进的数值模拟方法和人工神经网络模型，研究人员能够更准确地预测和优化相变材料的热性能，从而加快新系统的开发进程。

综上所述，本研究通过结合纳米颗粒增强和分形鳍结构优化，探索了提高熔盐基相变材料热性能的新途径。通过数值模拟和实验验证，研究人员发现，适当的几何设计和纳米颗粒配置能够显著提升热储存效率，缩短熔化时间，并改善温度分布。此外，人工神经网络模型的引入为热能储存系统的优化设计提供了新的工具，使得复杂的热传递过程能够被更高效地模拟和预测。这些研究成果不仅有助于推动高能效热能储存技术的发展，还为工业和可再生能源领域的应用提供了重要的理论支持和实践指导。