大规模热储能装置的设计优化、增材制造与测试

《Journal of Energy Storage》：Design optimization, additive manufacturing, and testing of large-scale thermal energy storage devices

　　

**摘要** 潜热热能储存（LHTES）设备因具有高能量储存容量而被广泛应用于热管理领域。许多新型结构，包括十四面体（TKD）和三周期极小曲面（TPMS），已被研究用于提高传热速率。然而，这些结构是否可以进一步优化仍未被探索。本研究提出了一种系统性的方法，通过一种新颖的优化方法——界面滤波结构优化（IFSO），对现有设计进行形状和拓扑优化，从而实现性能的进一步提升。该方法被应用于几种广泛使用的高性能结构，结果表明可以取得显著的额外性能提升。IFSO方法的关键优势在于，通过由物理规律支配的敏感性分析驱动的连续界面移动来优化结构形状，从而增强任何给定设计的性能。它支持自由形式几何变换，使优化后的设计能够充分利用增材制造技术所提供的几何灵活性。在本研究中，使用大规模三维几何作为设计域，并采用单元策略来提高设计分辨率。对三种常用设计，包括TKD、平行翅片（PF）和TPMS结构进行了优化、数值验证和制造。在相变材料（PCM）体积分数固定的情况下，优化后的TKD设计实现了最大的热源温度降低（32.91%），其次是PF设计（13.89%）和TPMS设计（14.37%）。对优化后的PF设备的实验测试验证了IFSO设计的优势，显示出12.24%的热性能提升。**引言** 相变材料（PCM）已被广泛应用于工程领域，包括电子冷却[1]、聚光太阳能发电厂[2]和建筑热舒适[3]。相变材料通过潜热提供 substantially 更高的能量储存容量，在许多应用中优于显热储存系统。这种高潜热容量使得潜热热能储存（LHTES）系统能够以较低的温度运行，延长其使用寿命，并实现比不含PCM的系统更大的能量储存容量。尽管PCM可以具有大储存容量，但其通常较低的热导率对高效地将热量传入和传出LHTES系统构成了主要障碍。提高传热速率的一种方法是向PCM中添加高导热材料（HCM），以提高复合材料的等效导热率。先前的研究表明，平行翅片（PF）[4]、[5]、[6]、[7]、十四面体（TKD）[8]、[9]、[10]、[11]和三周期极小曲面（TPMS）[12]、[13]、[14]、[15] HCM结构可以显著提升性能。例如，研究表明PF/PCM复合材料在瞬态事件中，与单独使用PCM相比，可将半导体芯片温度降低高达45.6%[5]。在数值研究中，金属泡沫通常被建模为TKD结构，也称为开尔文胞，其实验研究表明与随机泡沫的热行为相当。需要注意的是，TKD结构（也称为开尔文胞）不仅用于LHTES应用，还广泛应用于其他传热和能量利用领域，如内燃机和燃料燃烧[16]、[17]、[18]。最近，TPMS结构因用于LHTES复合材料而受到关注，并证明将其引入可使PCM熔化时间减少高达40.3%[12]。本研究的目标是从先前研究中已显示出色性能的高导热材料几何结构开始，然后使用我们最近开发的界面滤波结构优化（IFSO）方法对其进行进一步优化[19]。基于金属PF、TKD和TPMS结构的引入已被证明有效，我们将推荐拓扑优化的高导热材料结构，以进一步增强高性能LHTES复合材料。许多形状和拓扑优化方法已被应用于LHTES优化问题。自Pizzolato等人[20]、[21]将基于密度的拓扑优化（TO）方法引入热储存设备以来，该方法已被应用于许多优化问题，以实现温度最小化[20]、[22]、[23]、[24]、寿命延长[20]、[21]、[24]、[25]和放电速率增强[26]、[27]、[28]、[29]、[30]、[31]。这些数值和实验研究已确定TO方法可以增强LHTES设备。在本研究中，我们采用不同的方法，使用无参数的IFSO方法来优化设计。IFSO方法的一个关键优势是，通过连续的界面移动优化结构形状，从而增强任何给定设计的性能。它支持自由形状变化，使优化后的几何形状能够充分利用最近出现的一种强大制造技术——增材制造所提供的几何灵活性。除了基于密度的TO方法外，还有文献研究LHTES系统的尺寸和形状优化，试图解决传统TO中看到的灰度问题[32]、[33]、[34]。最近，Guibert等人将水平集方法引入瞬态熔化问题和电池包温度管理[35]、[36]。传统水平集方法中的设计演化过程通常需要额外的数值技术，并且在处理具有复杂边界的设计时变得具有挑战性且不稳定。一些水平集方法需要额外的技术，如浸没边界法[37]，以识别设计界面。为了明确地分隔不同区域，计算网格会根据演化的设计动态重新生成[38]。此外，一些变体需要求解Hamilton–Jacobi型偏微分方程（PDE）来演化水平集函数[39]，这可能会增加计算复杂性和实施难度。该方法脆弱的稳定性使其不适合处理复杂结构，如TKD和Gyroid TPMS设计。相比之下，IFSO方法作为基于密度的TO方法的变体，不需要额外的数值技术，并且在设计演化过程中表现出更好的稳定性，使其非常适合处理复杂的三维结构。除水平集方法外，可移动形变组件（MMC）方法[40]也已开发用于形状优化。然而，其表达能力受限于其基本组件的简单性，使其不适合表示高度复杂的结构，如Gyroid TPMS。因此，凭借其无参数形状变化、易于实施、较低计算成本、稳定的设计演化和表示复杂结构的能力等优势，IFSO方法被用于本研究的目。在本研究中，我们将IFSO方法[19]应用于LHTES系统的温度最小化问题，以寻求从传统设计中进一步提升。IFSO方法使用密度场进行设计表示，与基于密度的TO方法类似。使用具有可变和非均匀半径的Helmholtz型PDE滤波器[41]来诱发设计界面的连续移动，而使用具有大刚度因子的Heaviside投影[42]来在整个优化过程中保持尖锐的设计界面。这些特性允许优化器进一步改进基于过去工作或热设计者直觉选择的传统设计。使用焓-多孔介质法[43]来模拟PCM的熔化过程。选择PF、TKD和TPMS设计作为我们想要超越的目标设计。本研究中采用了基于单元的方法来提高大规模三维设计的网格分辨率。通过IFSO方法，所有三种设计都从初始形状实现了进一步改进，将加热器表面温差降低了高达30%。增材可制造性，如悬垂角，也在优化过程中予以考虑，以获得自支撑结构。最后，制造了一个IFSO设计并进行实验测试，以评估预测的性能提升。本文其余部分组织如下。第2节讨论本研究中使用的物理模型。第3节展示并解释了IFSO方法的特性和细节。第4节展示了三种设计的优化和数值验证结果。最后，第5节介绍并分析了实验结果。**物理模型** IFSO方法使用基于物理的LHTES模拟来实现。该模拟使用焓-多孔介质法[43]对固-液相变进行建模，可以在固定网格中追踪相界面。假设传热仅通过传导发生，忽略自然对流。几何设置和单元策略在第2.1节中详细说明，PCM和HCM的传热方程在第2.2节中给出。**优化方法** IFSO方法作为基于密度的TO方法的变体，可以通过操纵PDE滤波器的半径场来实现形状和拓扑优化。在本研究中，IFSO方法应用于潜热能量传热和储存问题，以最小化放电过程中的温度。IFSO方法的细节在以下各节中讨论。**数值结果** 第3节讨论的IFSO方法被实现到开源有限体积（FV）软件OpenFOAM v7.0中，并研究了三个数值算例。在所有算例中，使用正十六烷作为PCM，铝作为HCM。表1中列出的材料属性在模拟中设置为恒定值。HCM结构为总放电功率64 W进行优化，相当于施加的热通量为$\hat{q}''=7897.46W/m^2$。所示的单元设计域**制造和测试方法** 对IFSO-PF整体设计进行了实验测试，并在选定的设计条件下与初始PF几何形状进行比较。基准PF测试设备设计为可更换的7075-T6铝翅片（导热率为130W/mK），被压入加工好的底板上的紧密配合槽中，如图11(b)所示。两个翅片梳在底面和垂直方向上对翅片施加压力并对齐。使用该测试设备的先前实验表明，接触**结论** 在本研究中，我们旨在通过一种新颖的无参数且保持锐利边界的拓扑/形状优化方法——界面滤波结构优化（IFSO）方法，改进潜热热能储存（LHTES）系统的传统设计。平行翅片（PF）、十四面体（TKD）和Gyroid三周期极小曲面（TPMS）结构已被研究作为IFSO算法的初始设计。三种优化设计进行了数值评估，**CRediT作者贡献声明** Tianye Wang：撰写 – 审阅与编辑，撰写 – 原稿，方法论，调查研究，正式分析。Jack Prout：撰写 – 审阅与编辑，撰写 – 原稿，方法论，调查研究，正式分析。Xiaoping Qian：撰写 – 审阅与编辑，监督，项目管理，方法论，资金获取，概念构思。Allison Mahvi：撰写 – 审阅与编辑，监督，项目管理，方法论，资金获取，概念构思。**利益冲突声明** 作者声明他们没有已知的竞争性财务利益或个人关系可能影响本文报告的工作。**致谢** 作者感谢美国海军研究办公室（ONR）在Mark Spector管理下，通过资助编号N00014-23-2705提供的支持。Tianye Wang | Jack Prout | Xiaoping Qian | Allison Mahvi 美国威斯康星大学麦迪逊分校机械工程系，1500 Engineering Dr., Madison WI 53706, USA