《Journal of Energy Storage》：Study on phase change heat storage assisted with acoustic flow effect under different acoustic vibration area
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本文研究低声功率下超声流动效应对相变储热过程的影响，通过模拟发现减小超声振动表面面积可优化熔化速率，揭示强迫对流与自然对流协同作用机制，并定量分析增强效果的经济性，证实超声流动效应既加速熔化又降低总储热，为新型储热设备提供理论支撑。
兰梦晓|吴金星|王欣|张东伟|唐松珍|沈超|王林|王战伟|陈松轩|王浩
郑州大学机械与动力工程学院，中国河南省郑州市450001
摘要
在超声强化传热领域，声流效应是最常见的能够提高传热率的物理效应。本文研究了在低声功率下具有强化声流效应的相变热存储过程。首先，模拟工作揭示了不同声振动表面积对相同声功率下相变热存储过程的影响。结果表明，减小声振动表面积可以提高熔化速率，并且存在表面积的最佳值。进一步讨论了强制对流和自然对流促进相变材料（PCM）熔化过程的一般规律。然后，定量分析了强化效果的有效性和经济性。结果表明，PCM的熔化时间与强化效果的经济性之间存在强相关性。最后，研究还表明，声流效应不仅促进了PCM的熔化，还减少了总的热存储量。本研究的意义在于为新型热存储设备的发展提供了理论基础。
引言
在众多热存储技术中，潜热存储系统（LTSS）具有高热存储密度以及在充热和释热过程中温度几乎恒定的优点，已成为热存储技术的研究热点之一。然而，LTSS中的相变材料（PCM）通常具有较低的热导率，这限制了热存储速率[1]。已经进行了大量研究来提高热存储设备的传热效率，包括被动和主动增强方法[2]、[3]、[4]。然而，被动增强技术在与可变工作条件的兼容性方面灵活性较差[5]。因此，主动增强热存储技术引起了研究人员的关注，该技术利用外部能量干预热存储过程。外部能量可以转化为多种形式，例如磁场能量、声波、机械振动等。尽管主动增强技术可以在热存储过程中显著提高增强效果[6]，但由于其固有特性，在大多数工业场景中难以确定其综合经济效益。
近年来，随着风能和光伏等新能源的不断普及，迫切需要开发新的能源存储系统来解决新能源发电的消耗和浪费问题[7]、[8]。将过剩电能转化为热能进行存储的技术，如热泵储能，被认为是一种经济有效的储能解决方案[9]。更重要的是，储能过程可以直接利用一小部分过剩电能作为外部能量，为主动增强技术提供了适用的应用平台。因此，在新能源技术不断发展的背景下，研究主动增强热存储技术具有重要意义。
目前有一些相关研究探讨了PCM的主动增强传热技术，主要包括电场、磁场和超声振动[10]、[11]、[12]。其中，电场和磁场对PCM的类型有严格的要求（PCM必须是対电场或磁场敏感的材料）。超声是一种高频机械波，可以在任何能够发生弹性变形的材料中传播。理论上，材料类型不会限制超声的传播过程。因此，超声作为增强传热过程中的外部能量更为合适。特别是在增强换热器的对流传热过程中，超声受到了广泛关注[13]。先前的研究证明，超声在液体中会产生空化效应和声流效应，这些效应主要促进了传热[10]、[11]、[12]、[13]。对于超声辅助的相变热存储，当前的研究主要集中在这两种物理效应对熔化过程和相变传热过程的影响上。主要采用了两种研究方法：实验测量[14]、[15]、[16]、[17]、[18]、[19]、[20]、[21]、[22]、[23]和数值模拟[24]、[25]、[26]、[27]。
Kool-kwon Oh等人[14]、[15]、[16]、[17]在恒定热流密度下对超声增强PCM熔化过程进行了多次实验测试。测量结果表明，超声振动引起的热振荡流显著增强了液体PCM内的对流传热并促进了熔化过程。加热表面在液体PCM内部产生了垂直方向的密度梯度，空化效应更可能发生在低密度区域。因此，超声可以增强熔化过程的非均匀性[18]。同时，声能的间歇作用不仅可以提高PCM的熔化速率，还可以避免声能的浪费[19]。加热温度的升高可以增加液体PCM的温度并降低空化阈值，从而增强空化效应[20]。此外，超声与纳米粒子的结合可以提高热存储速率。但需要注意的是，纳米粒子在声波传播过程中会产生强烈散射，从而加剧声能的衰减并减弱增强效果[21]。结果表明，较大的声功率可以持续维持增强效果[22]。同时，纳米粒子浓度的增加可能会增加液体CPCM的粘度，从而减弱声流的增强效果[23]。然而，上述研究尚未完全证实超声与纳米粒子的联合增强效果，且缺乏对这些参数增强效果的全面评估。
一些关于声流效应增强效果的研究已经开展。Li等人[24]使用格子Boltzmann方法模拟了具有声流效应的多孔复合相变材料的熔化过程。结果表明，声流效应与自然对流的结合可以导致更强的强制对流，从而增强对流传热。随着Pr值的增加，声流效应变得更加显著，强制对流在熔化过程中逐渐占据主导作用。Bagheri等人[25]研究了套管热存储设备，并模拟了不同声波在传热流体中产生的脉动流。结果表明，脉动流可以显著提高流体与PCM之间的传热性能，并缩短PCM的熔化时间。此外，对于不同的声波，正弦波产生的脉动流对熔化过程的增强效果最好。Rahmanian等人[26]和Guo等人[27]研究了声振动位置对声流效应下增强效果的影响。他们的结果均表明，声振动表面的位置显著影响声流效应下的增强效果。另外，对于侧壁加热的垂直热存储设备，当声振动表面位于容器底部时，增强效果最佳。
应当注意的是，如Diaconu等人[10]指出的，当超声作为增强传热技术使用时，会消耗额外的机械功。对于工业应用而言，能耗是生产成本的关键问题。Guo等人[27]首次定量比较了超声能耗与增强效果效益之间的关系。他们的工作揭示了声流效应下热存储过程中上述参数之间的一些一般规律。然而，关于外部能耗与增强效果效益之间的关系以及其对热存储系统成本的影响仍缺乏讨论。
通过对上述研究的总结和分析可以看出，空化效应和声流效应在PCM熔化过程的增强特性和宏观现象中起着重要作用，这些分别主要由实验工作和数值模拟关注。同时，宏观模拟方法能够有效捕捉声流效应，而空化效应则通过分子动力学方法[28]、[29]、[30]得以揭示。然而，在液体中，声流效应比空化效应更易于发生[31]、[32]，这可能取决于PCM材料的类型。此外，由于声波传播过程中的能量衰减，声流效应在液体PCM中的扰动范围更大，尤其是在低频超声情况下[33]。因此，在PCM熔化过程中应全面评估声流效应及其增强效果。本文通过数值模拟研究了低功率声流效应对相变热存储的影响，进一步优化了声能的应用，以实现更快的熔化速率和更高的声能增强效果。
章节摘录
物理模型介绍
本研究将在现有研究[27]的基础上进一步优化声能的应用方式，即探索如何减少声能消耗以缩短PCM的熔化时间。本研究还将探讨是否存在声振动表面积的最佳值。值得一提的是，本研究是在尽可能确保声流效应在液相区域快速发生的前提下进行的。
熔化过程分析
本节首先比较了不同模型的熔化过程。在声流效应下，模拟结果总结了声振动表面积对PCM熔化过程的影响。然后进一步分析了声流效应的增强特性，探讨了对流传热增强与熔化过程之间的关系。
结论
本文主要研究了声振动表面积对相变热存储的影响。选择了具有一个加热壁的垂直热存储容器，声振动表面位于容器底部。模拟结果展示了五种不同声振动表面积（T1、T2、T3、T4和T5）下声流对熔化过程的影响。随后，进一步分析了声流增强效果的有效性和经济性。
CRediT作者贡献声明
兰梦晓：撰写——原始草案、方法论、概念构思。吴金星：概念构思。王欣：概念构思。张东伟：撰写——审阅与编辑、验证、概念构思。唐松珍：撰写——审阅与编辑、数据管理。沈超：验证。王林：撰写——审阅与编辑。王战伟：撰写——审阅与编辑。陈松轩：验证。王浩：数据管理。
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的可能会影响本文报告工作的财务利益或个人关系。
致谢
本研究得到了国家自然科学基金（项目编号：52376078；52478087）和河南省重点研发项目（项目编号：241111320900）的支持。
