基于可压缩纳维-斯托克斯方程的翅片增强月桂酸相变材料熔化数值模拟与验证

《Scientific Reports》：Simulation of compressible flow and convergence enhancement in finned porous medium PCM systems considering non-linear material properties

　　

摘要

翅片增强相变材料（PCMs）的熔化广泛应用于缓解蓄热系统中相变材料固有的低导热系数问题。本研究选择月桂酸作为相变材料，并针对四种配置建立了数值模型：无翅片、单翅片、三翅片以及带有多孔介质的三翅片结构。控制方程基于可压缩纳维 - 斯托克斯方程框架推导，并纳入了熔化过程中动力粘度、导热系数和密度随温度变化的非线性特性。为了提高物理保真度，模型中纳入了固液过渡区和浮力驱动体积力项。应用了基于热熔融的修正来调整比热容和普朗特数，同时引入经验关系以提高数值收敛性和稳定性。在 0°、45°和 90°的倾斜角下进行了数值模拟，并将预测的液相分布和温度场与现有的实验数据进行了验证。结果表明，修正公式在强非线性和多物理场耦合条件下显著增强了收敛性，在多孔介质配置中改善幅度高达 71.9%，平均增益为 65.3%。温度的均方根误差仅为 0.96 K，而熔化时间的相对误差仅为 4.4%。所提出的方法论为模拟可压缩条件下的翅片增强相变材料熔化提供了更准确和稳定的框架，为粘性可压缩流体的传热分析提供了有益的见解。