《Renewable Energy》：Mechanism-driven design of gradient porous metal foam/PCM composites in a triplex-tube helical-coiled thermal energy storage unit
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螺旋管三重管结构中梯度多孔金属泡沫/相变材料复合储热单元的研究表明，正梯度结构使熔化时间缩短至344秒，较均匀结构快16%，双梯度结构进一步优化至333秒，但低-高-低梯度会抑制对流。温度场分布揭示传热效率与均匀性之间的权衡关系，梯度孔隙结构有效协调导热强化与对流促进，为高密度紧凑型储热系统设计提供新思路。
赵创耀|赵新双|王思琪|贾晨毅|齐迪|蒋俊民
西安建筑科技大学建筑服务科学与工程学院，中国西安710055
摘要
相变材料潜热储能系统在快速充放电过程中常常受到低导热性和温度不均匀性的限制。为了解决这一问题，本研究提出了一种基于机制驱动的梯度多孔金属泡沫/相变材料复合材料的三管螺旋缠绕潜热储能单元设计，以匹配熔化过程中的局部传热机制和非均匀热驱动力。开发了一个三维瞬态模型，考虑了流动阻力和局部热非平衡现象，比较了均匀、单梯度和双梯度径向孔隙结构。结果表明，正梯度将完全熔化时间缩短至344秒，比均匀和负梯度情况分别缩短了约16%和23%；而高低高双梯度结构进一步将其缩短至333秒；相比之下，低高低梯度结构抑制了对流并延长了熔化时间。温度场揭示了充放电速率与温度均匀性之间的权衡。总体而言，梯度孔隙结构在提高导热性、促进对流传输和保证温度均匀性方面取得了更好的平衡，为紧凑型高功率密度主动热储能系统提供了设计指导，并显示出在太阳能充电条件下的良好适应性。
引言
潜热储能（LHTES）具有高能量密度和近似等温的储热和释热特性[1]，已被广泛应用于建筑节能[2]、工业废热回收和热管理系统[3]中。然而，基于相变材料（PCM）的储能单元的性能受到大多数PCM低导热性的限制。在熔化过程中，相界移动缓慢导致充放电时间较长且功率密度较低，尤其是在高功率密度或间歇性充电条件下。因此，提高PCM的导热性和加速充放电过程仍是LHTES技术中的关键挑战。
为了克服这些限制，人们提出了多种传热增强策略。一种广泛采用的方法是添加高导热性添加剂，特别是多孔介质。例如，Shi等人[4]研究了金属泡沫的传热增强效果，Bianco等人[5]从性能和成本角度分析了PCM-金属泡沫散热器，Yang等人[6]展示了多孔金属泡沫在热储能管中的传热增强作用。这类多孔框架可以在PCM基质内提供连续的热传导路径[7]。还研究了纳米颗粒增强型PCM以在微观尺度上提高导热性。Chen等人[8]报道了一种基于石蜡的纳米复合材料的导热性和耐久性提升，Yuen等人[9]评估了碳纳米管增强石蜡的热性能，Mahdavi等人[10]研究了铜纳米颗粒和散热片的组合使用效果。此外，还有其他新兴方法被提出。Zhao等人[11]开发了一种定向管状骨架结构以增强太阳能热转换和储存，Dong等人[12]研究了潜热储存换热器的拓扑优化，Tu等人[13]在柔性相变复合材料中设计了热传导路径以改善热储存性能。同时，热储能单元的结构优化也受到了越来越多的关注，包括使用散热片[14]、[15]和热管[16]、[17]来降低传热流体与PCM之间的热阻。与材料改性相比，结构优化通常因其简单性、强增强效果和广泛适用性而更受青睐。据报道，合理的换热器设计本身就能将热储存效率提高约80%[18]。然而，许多现有方法会增加系统复杂性或成本，降低有效储存密度，或者以基本均匀的方式增强传热，而没有考虑PCM熔化过程中热驱动力的空间异质性。
在各种换热器配置中，螺旋缠绕结构因其在传热性能上的优势而受到广泛关注。与传统直管相比，螺旋线圈会产生由曲率引起的二次流动[19]、[20]，这增强了径向混合并改善了对流传热[21]。它们还在相同体积内提供了更大的有效传热面积，从而提高了紧凑型储能单元的热传递能力。这些特性使得螺旋缠绕结构特别适合用于基于PCM的潜热储能系统。Huminic等人[22]总结了曲管的热传递优势，Ying Chua等人[23]分析了螺旋线圈管的热性能，Mao等人[24]通过实验比较了螺旋管和直管的性能，并证实了前者具有更优的传热性能。因此，螺旋缠绕结构被认为是需要强烈对流增强的紧凑型LHTES系统的有希望的候选方案。
为了进一步提高传热性能，人们将多管结构引入了螺旋缠绕潜热储能单元。Najafabadi等人[25]通过数值研究了同心双管螺旋缠绕PCM再生器，发现入口温度和管径对熔化速率有显著影响。他们的结果表明，较高的入口温度和较大的内管直径都可以加速PCM的熔化。Entezari等人[20]进一步将三管同心结构与螺旋线圈结合，发现由曲率引起的二次流动显著缩短了熔化时间。Zhao等人[26]也报告称，二次流动改变了截面温度场并促进了PCM的熔化。这些研究表明，螺旋缠绕多管结构在增强紧凑型潜热储能系统的对流传热方面具有巨大潜力。最近的实验进一步证实，将螺旋缠绕换热器与多孔金属泡沫结合可以有效加速PCM的熔化和凝固过程[27]、[28]。
尽管优化的换热器几何形状可以增强对流传热，但PCM内部的传热仍受其低导热性的限制。为了平衡热增强和储存密度，人们将金属泡沫广泛嵌入PCM中作为高导热性框架。均匀孔隙泡沫可以显著提高有效导热性，但由于渗透性降低，尤其是在熔化后期，它们往往会抑制自然对流[29]、[30]。为了解决这一限制，提出了具有空间变化孔隙的功能梯度金属泡沫。Chang等人[31]通过数值研究了孔隙梯度金属泡沫中的PCM熔化过程，发现孔隙梯度和加热方式显著影响相变动态。Tian等人[32]比较了负梯度、均匀和正梯度泡沫，发现熔化时间和温度响应之间存在明显的权衡。Zheng等人[33]提出了一种二维孔隙梯度泡沫结构，并报告称与均匀泡沫相比熔化时间显著缩短。Li等人[34]进一步指出，梯度或分隔泡沫布置可以缓解对流抑制并提高充电效率。更广泛地说，定制的多孔结构已被证明可以调节PCM熔化过程中的传导-对流相互作用[35]。
尽管取得了这些进展，但基于PCM的热储能系统中梯度多孔结构的机制仍不清楚。在PCM熔化过程中，固有的非均匀径向温度场导致热驱动力的空间变化和主导传热机制的转变。在加热壁附近，由于薄液层限制了流体运动，传热主要由传导主导；而在远离加热壁的区域，不断扩大的液体区域促进了自然对流。在这种情况下，均匀孔隙结构无法满足熔化过程的空间变化传输需求。如图1所示，单调的径向孔隙分布对应于不同的传输要求：以对流为主的区域通常需要更高的渗透性，而以传导为主的区域则受益于较小的孔径和较大的固液界面面积。这种不匹配表明，根据局部传热机制定制的梯度多孔结构可能更有效地提高LHTES性能。然而，大多数现有研究仍然依赖于经验性梯度设计，没有明确将孔隙分布与PCM熔化过程中的热传递机制的空间演变联系起来，这突显了需要一个基于机制的梯度多孔设计框架。
基于这一观点，本研究提出了一种三管螺旋缠绕LHTES单元，在环形区域使用了梯度多孔金属泡沫/PCM复合材料。通过结合曲率引起的二次流动和径向孔隙分级，该设计协调了PCM熔化过程中的传导和自然对流。如图1所示，分级孔隙结构更好地匹配了局部传输特性与非均匀径向热驱动力。然后研究了不同径向孔隙分布对熔化行为和温度不均匀性的影响。主要贡献包括：（1）建立了金属泡沫/PCM复合材料中径向孔隙分级的机制指导框架；（2）使用三维瞬态数值模型系统地比较了均匀、单梯度和双梯度孔隙结构；（3）阐明了熔化速率和温度均匀性之间的权衡，以指导紧凑型基于PCM的热储能系统的设计。此外，通过粉末冶金、空间保持方法和增材制造也制备了类似的功能梯度多孔金属，证明了所提结构的实际可行性。
物理模型
图2展示了所提出的三管螺旋缠绕热储能单元的几何配置。该系统由三个同心螺旋管组成，内外管用作传热流体的流动通道，而它们之间的环形区域作为潜热储存区域。
两种流动通道中都使用水作为传热流体。水从顶部入口进入，沿螺旋通道向下流动，其中曲率效应
结果与讨论
本节系统研究了嵌入梯度多孔金属泡沫中的PCM的传热和相变行为。结果以逐步的方式组织，阐明了径向孔隙设计的潜在机制和性能影响。首先验证了金属泡沫嵌入的增强机制，并确定了后续梯度设计的合适孔隙范围
结论
本研究通过数值方法研究了一种包含梯度多孔金属泡沫/PCM复合材料的三管螺旋缠绕潜热储能（LHTES）单元。结果表明，径向孔隙梯度有效调节了靠近壁面的传导与外部区域自然对流之间的平衡，从而显著影响了熔化动态和温度分布。
对于单梯度配置，正梯度实现了最快的熔化速度
作者贡献声明
蒋俊民：写作 – 审稿与编辑、资源管理、实验研究。齐迪：项目管理、方法论。贾晨毅：软件开发、方法论。王思琪：软件开发、项目管理。赵新双：写作 – 初稿撰写、软件开发、实验研究、数据整理。赵创耀：写作 – 审稿与编辑、监督、资源管理、方法论、资金获取、概念构思
未引用参考文献
[36]。
利益冲突声明
我们声明没有利益冲突。
数据可用性
数据可应要求提供。
利益冲突声明
我们声明没有利益冲突。
致谢
本工作得到了陕西省自然科学基金（2025JC-YBMS-439）、国家自然科学基金（51976144）以及西安建筑科技大学计算中心的支持。作者还感谢陕西（中国）国际建筑服务科学与地下空间环境联合研究中心的支持。
