《Journal of Energy Storage》：Effect of perforation density on twisted fins in a shell-and-tube latent heat thermal energy storage system during the charging process
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研究人员研究了壳管式潜热热储能（latent heat thermal energy storage, LHTES）系统中穿孔扭曲翅片（perforated twisted fins）的影响。穿孔密度（perforation density）影响导热（cond
研究人员研究了壳管式潜热热储能（latent heat thermal energy storage, LHTES）系统中穿孔扭曲翅片（perforated twisted fins）的影响。穿孔密度（perforation density）影响导热（conduction）与自然对流（natural convection）传热。稀疏（sparse）、中等（moderate）和密集（dense）穿孔模式经过了对比评估。与无穿孔翅片相比，穿孔翅片将强化效率（effectiveness）从1.06提升至1.30。
随着可再生能源系统的扩展以及能源生产与消耗之间持续性错配问题的日益严峻，高效热能存储技术需求不断增长。潜热热储能（latent heat thermal energy storage, LHTES）系统利用相变材料（phase change material, PCM）在相变过程中吸收或释放热量，因其高储能密度、紧凑的系统尺寸以及近似恒温的储热能力，成为该领域的研究热点。然而，大多数PCM固有的低热导率导致其在充放热循环中传热缓慢，严重制约了系统整体效率。尽管现有研究已通过改进传热几何结构、促进自然对流及优化运行参数等策略强化PCM传热，但针对扭曲翅片（twisted fins）与穿孔（perforations）耦合设计的研究仍显不足。特别是穿孔密度沿扭曲翅片空间变化时对PCM熔化与蓄热行为的系统影响尚未得到充分研究。鉴于此，研究人员开展了本研究，论文发表于《Journal of Energy Storage》，旨在系统评估不同穿孔密度对竖直壳管式LHTES系统蓄热性能的影响，为翅片增强型LHTES系统的设计提供工程指导。
研究人员构建了一种带穿孔变密度扭曲翅片的竖直壳管式LHTES系统数值模型，对比分析了五种设计配置：无翅片的基线光滑管（Model 1）、连续无穿孔扭曲翅片（Model 2）、稀疏穿孔扭曲翅片（Model 3）、中等密度穿孔扭曲翅片（Model 4）及密集穿孔扭曲翅片（Model 5）。研究以石蜡PCM为储能介质，水为传热流体（heat transfer fluid, HTF），铜为翅片与管材材料，在恒定的HTF进口温度353 K与流速0.05 m/s条件下，系统研究了各配置的蓄热性能。主要作者包括Tanimu Jatau、Arnaud G. Malan和Roland W. Lewis。
研究人员采用计算流体动力学（computational fluid dynamics, CFD）方法与焓-孔隙模型（enthalpy-porosity model）对PCM固液相变过程进行数值模拟。基于质量、动量与能量守恒方程，采用Boussinesq近似（Boussinesq approximation）处理浮力驱动自然对流（natural convection），并引入多孔介质区（mushy-zone）阻尼项描述固相区流动阻力。数值计算在ANSYS 2024R1平台上完成，采用非结构化四面体网格进行空间离散，使用有限体积法（finite volume method, FVM）求解控制方程，对流项采用二阶迎风格式，扩散项采用二阶中心差分格式，压力-速度耦合通过SIMPLE算法实现，压力插值采用PRESTO格式。研究通过网格无关性与时间步长无关性验证，确定1680194个网格单元与0.05 s时间步长可在保证计算精度（液相分数偏差低于1%）的同时优化计算成本。模型可靠性通过与Lonegon等和Mahdia等发表的壳管式LHTES系统实验数据进行对比验证，温度预测最大偏差为5.87%，液相分数预测平均误差为3.90%。
4.1 PCM液相分数和熔化时间演变
通过液相分数（liquid fraction）随时间演变分析，Model 1完全熔化耗时710 min；Model 2约380 min，较基线缩短46.50%；Model 3约360 min，缩短49.30%；Model 4约330 min，缩短53.52%；Model 5约290 min，缩短59.16%。研究人员指出，穿孔强化性能主要源于穿孔对PCM流动的减阻效应而非净换热面积增加：在翅片厚度3 mm、孔径10 mm条件下，每个穿孔净减少换热面积约62.83 mm
2。速度矢量分析表明，穿孔使熔融PCM得以穿越翅片间隙，显著增强了浮力驱动循环与热质传输。
4.2 PCM温度演变
平均PCM温度时间序列表明，所有翅片配置升温速率均优于基线。Model 2将PCM达到350.4 K的时间从710 min缩短至380 min；Model 3、Model 4分别较Model 2额外缩短约5.26%与13.56%；Model 5较Model 2缩短约26.68%，较基线减少约59.16%。温度场分布显示，穿孔结构有效促进层间热对流并削弱热分层，其中密集穿孔配置（Model 5）在整个蓄热阶段保持最高平均温度。
4.3 蓄热过程中的储能容量
储能容量（energy storage capacity）随时间的演化显示，Model 1在710 min时达到3647.92 kJ；Model 2在380 min时达到3599.91 kJ，时间减少约45.80%；Model 3、Model 4、Model 5分别约在360 min、330 min与290 min达到相近储能水平，较基线分别减少约58.96%、53.08%与58.62%。在200 min时，各翅片配置累计储能为2606.21–2996.28 kJ，显著高于基线的1910.703 kJ。穿孔密度提升有助于中后期维持较高蓄热速率。
4.4 蓄热过程中的储能速率
储能速率（energy storage rate）分析表明，初始阶段（t<20 min）强化模型因大温差与主导导热机制出现能量吸收尖峰（369.39–424.20 W），较基线（322.33 W）提升14.59–31.60%，其中Model 2因实体扭曲翅片最大化导热而取得最高峰值424.20 W。进入中期后，穿孔配置逐渐展现优势：Model 5在120 min时储能速率约294.50 W，较Model 2（248.40 W）提升约18.56%，表明穿孔通过促进流体穿越翅片层强化了自然对流，弥补了材料去除导致的导热面积损失。
4.5 螺旋翅片与穿孔密度的影响
通过翅片强化效率（fin enhancement effectiveness, FEE）与穿孔翅片强化效率（perforated fin enhancement effectiveness, PFEE）评估，Model 2的FEE约1.84；引入穿孔后，Model 5的FEE提升至2.41。相对效率方面，PFEE由Model 3的约1.06递增至Model 5的约1.30，证实了穿孔密度在维持有效导热路径与增强对流混合之间的积极作用。
研究结论指出，与基线Model 1相比，所有翅片配置均显著缩短蓄热时间：Model 2减少46.50%，Model 3减少49.30%，Model 4减少53.52%，Model 5减少59.16%，该提升归因于穿孔模式促进的导热与浮力驱动对流协同效应。Model 1储能性能最低，扭曲翅片在初始阶段将峰值储能速率提高14.59–31.60%，其中Model 2早期性能最优；随熔化进行，穿孔配置（Models 3–5）逐渐超越无穿孔翅片，Model 5在120 min时较Model 2储能速率高18.56%。扭曲翅片使FEE从1.84提升至密集穿孔的2.41，而相对无穿孔翅片的PFEE则由1.06（稀疏）增至1.30（密集）。研究表明，在壳管式LHTES系统中应用穿孔扭曲翅片是一种实用且可放大的强化传热方法；尽管穿孔密度增加可提升储能速率，但增益随密度升高而递减。密集穿孔翅片适用于追求最大蓄热速度的快速响应场合，而中等穿孔翅片则在热强化与热循环结构可靠性之间提供了更佳平衡。
