耦合参数变化下V形翅片不同形状腔体中相变材料熔化行为的数值模拟与机器学习研究

《Scientific Reports》：Numerical and machine learning framework for strategic fin design to accelerate phase change material melting in advanced enclosures

　　

摘要

本文在耦合参数变化的条件下，数值研究了配备相同V形翅片的矩形、梯形和七边形腔体中相变材料（PCMs）的熔化行为。研究参数包括PCM类型（RT-25至RT-38）、翅片材料（铝、铜、钢）、翅片倾斜角（30°–90°）以及热通量（500–2000 W/m²）。采用基于焓的方法模拟瞬态熔化过程，重点关注早期熔化动力学中由传导向对流的转变。RT-25熔化最快（1500 s内完全熔化），而RT-27表现最慢（1500 s后液相分数仅为0.172）。铝的平均传热系数比钢高27.6%。与矩形构型相比，七边形腔体的液相分数提高34.9%，熔化时间减少20.4%。翅片倾斜角在70°至90°之间时熔化速率最高。热通量从500增加到2000 W/m²，完全熔化的傅里叶数降低77.56%。随机森林回归模型对努塞尔数的预测R²值分别为0.9896（训练集）和0.9729（测试集），平均绝对百分比误差（MAPE）分别为2.74%和3.68%。SHAP分析表明，极端热通量条件（500和2000 W/m²）对预测结果的影响最大。本文的创新之处在于系统研究了耦合的几何、材料和操作参数，首次对这三种腔体配备相同V形翅片的配置进行了比较评估。研究结果为潜热储能系统中相变材料-翅片配置的选取提供了实用设计指南，表明七边形腔体、铝翅片及近垂直倾斜角（70°–90°）的组合可提供最佳热性能。