基于CFD和可解释机器学习的熔融相变材料中单液滴传热机制研究与优化

《International Journal of Heat and Fluid Flow》：Investigation and optimization of heat transfer mechanism of a single droplet in molten PCM based on CFD and Interpretable Machine Learning

　　• 液滴脱离喷嘴后的前20 mm区域被确定为换热的主导空间阶段。• 识别了相变过程中控制液滴传热的阶段依赖性主导因素。• 外部对流和内部循环是增强液滴传热的首要机制。• 高流速使液滴展平，抑制了内部雷诺数（*Re*）和循环。## 引言全球向低碳能源未来的转型，使得热储能（TES）因其对提高能源利用效率、缓解可再生能源间歇性、实现工业余热回收以及促进跨季节储能的重要促进作用，成为一项关键技术和日益增长的研究焦点（Kassem和Moscariello，2025年）。在相变热储能系统中，不互溶液体与相变材料（PCM）之间的离散相互作用——以封装、渗透或喷雾等形式表现出来——是实现高效可控能量交换的重要途径（Dutkowski和Kruzel，2023年）。对微胶囊化PCM浆料的广泛研究表明，系统的宏观储热率和泵送功率主要受单个胶囊内部的相变行为及其界面热阻的控制（Inaba等，2004年）。在无壳PCM乳液或直接接触热储能系统中，单个液滴直接作为储能的基本单元，其内部对流和界面传热系数的变化直接决定了系统的功率密度和动态响应。因此，全面理解单个液滴层面的传热和界面动力学，对于合理优化系统架构和运行策略是必要的。在各种直接接触构型中，基于液滴的换热因其高界面面积和强烈的局部传质而备受关注。综合综述已记录了喷雾冷却（Liang和Mudawar，2017年）以及液-液直接接触传热在TES中的应用进展（Delgado等，2012年）。然而，绝大多数液滴传热研究集中在两个主要方向：（i）液滴在加热固体表面上的撞击和动力学，通常通过工程化的微/纳结构加以增强；（ii）液滴-界面相互作用的数值模拟，主要用于液滴-固体或液滴-气体系统。关于浸没在不互溶液体中的单个液滴的热-水动力耦合行为的调查研究相对较少，尤其是熔融PCM中的情况，其内部循环机制仍未得到充分理解。在液滴-固体相互作用的背景下，Faghiri等（2021年）研究了丙酮液滴对熔融石蜡直接接触凝固的影响，重点关注了两个参数：韦伯数（Weber number）和熔融石蜡表面温度。该研究发现，随着撞击强度（韦伯数）的增加，传热范围扩大，导致石蜡凝固区域增大。这一现象与Lemenand等（2010年）得出的结论一致，即在直接接触换热过程中，两相之间的界面面积越大，传热效率越高。Ma等（2024年）研究了接触线附近液滴合并和蒸发过程中的界面波动，强调了重力对流体运动的显著影响。利用先进的微加工技术，表面结构经过定制以进一步提高液滴传热。在基于液滴的传热过程优化中，表面结构是影响液滴撞击动态行为和传热性能的关键因素。微加工技术的最新进展使针对微结构表面液滴撞击动力学和传热的广泛研究成为可能。Chen等（2025年）通过机械拉削和静电涂覆的复合工艺制备了微槽双亲性表面，并确定了增强液滴传热的最优设计配置。为增强蒸汽和液体扩散动力学，Wang等（2025年）设计并实现了一种具有增加纵横比的分层纳米-微米三级通道结构。此外，他们开发了一种物理信息驱动的深度神经网络模型，能够精确模拟液滴在各种表面的非线性沸腾行为（从核态沸腾的起始到莱顿弗罗斯特点），模拟误差约为11%。Gao等（2025年）提出了一种楔壁菱形格构表面，以实现凝结对液滴整个生命周期的可持续控制，从而实现高效的跳跃液滴凝结。此外，通过分子动力学模拟，他们证明液滴可以在指定位点均匀成核，自发迁移，并与邻近液滴主动合并。该工作为开发新型功能性纳米结构提供了有价值的参考。数值模拟在捕捉瞬态细节和探索潜在机制方面具有显著优势。因此，它们已成为液滴撞击和传热研究中的关键工具。Nguyen等（2024年）对Marangoni效应下多核复合液滴的迁移进行了数值研究。他们的研究表明，当Marangoni效应趋于稳定时，核心液滴按顺序移动并表现出周期性重复。此外，随着静态接触角的增大，液滴运动的不稳定性增强。Gong等（2025年）研究了单个和多个液滴撞击对微结构表面上沸腾气泡和液膜流动机制及传热特性的影响。Yin等（2025年）利用数值模拟系统地研究了液滴在各种条件下（如撞击速度和圆柱直径）撞击圆柱面时的动态撞击过程和传热特性。他们的研究结果为优化喷雾冷却技术提供了重要的理论基础和设计指导。鉴于上述讨论，应指出的是，液滴尺度的传热已在多种构型中得到了广泛研究，包括喷射冷却、液-液直接接触换热、分散相液滴动力学和相变浆料系统（Liang和Mudawar，2017年；Michaelides，2006年）。然而，与主要涉及水、制冷剂、纳米流体或管道流和池沸腾中的主体熔融盐的传统传热研究不同，浸没在不互溶液体中的单个液滴的热-水动力耦合行为——尤其是熔融相变材料（PCM）中的情况——受到的关注相对较少，其内部循环机制仍未得到充分理解。虽然计算流体力学（CFD）与遗传算法优化的人工神经网络（GA-ANN）的组合此前已应用于其他传热问题（Lira等，2022年；Rabienataj Darzi等，2024年），但单个PCM液滴直接接触构型中的传热机制仍有待进一步探索。因此，本研究建立了一个将CFD与GA-ANN耦合的集成评估框架。通过三维数值模拟，系统地研究了熔融PCM中单个液滴的传热演化和内部流动特性。评估了关键无量纲参数（*Re*，*z/D*，*Z*_PCM/*D*）对液滴界面变形和系统努塞尔数的非线性影响。基于这些分析，确定了最优传热条件。研究结果可为直接接触相变热储能装置的高效设计和精确调控提供参考。## 各章节摘要### 几何模型直接接触换热器具有简单的垂直管道结构。图1展示了直径为40 mm、高度为500 mm的直接接触换热器的主要结构。换热器底部设置有一个直径为6 mm、宽度为8 mm的喷嘴。传热油通过喷嘴进入换热器，与熔融PCM进行热交换。本研究对喷嘴结构进行了简化。喷嘴的主要作用是……### 单液滴温度传热分析为研究PCM中单个液滴的传热过程，采用了三因素四水平的正交实验，如表2所示。入口流速分别为0.001、0.005、0.009和0.013 m/s。PCM高度分别为100、200、300和400 mm。两相之间的温差分别为30、50、70和90 ℃。研究不同位置单液滴的传热系数有助于理解多相流传热机制。### 结论本研究提出了一种将CFD数值模拟与GA-ANN耦合的研究方法，用于探究熔融PCM中单个液滴的传热演化机制。主要结论如下：液滴脱离喷嘴后的前20 mm区域代表系统换热的主导空间阶段。液滴内的高效传热并非仅依赖于热传导，而是由……之间的强协同效应所控制。### 资助来源本研究得到国家自然科学基金（批准号：52166004）和云南省基础研究计划（批准号：202501AS070131）的资助。### 利益冲突声明作者声明，他们不存在已知的可能影响本文所述工作的竞争性经济利益或个人关系。明建 王 | 健伟 张 | 建欣 许 | 巧玲 毕 | 辉 孙 | 华 王