含多孔骨架的储能材料固液相变界面传递机理研究

固-液相变技术广泛应用在热能的高效利用、建筑墙体围护结构性能改善和电池的热管理中。相变换热器、相变热管等大大加强了换热效率和能源利用率;将相变材料封装并与建筑外墙体结合组成相变墙体,可以降低建筑主动能源消耗并提高居住舒适度;利用相变材料进行热管理的电子元件和锂电池系统将会变得寿命更长、效率更高。为改善相变系统整体的换热性能,加强其结构强度,还可以在相变应用系统中填充多孔骨架。研究填充多孔骨架的固-液相变过程,探究整体过程的进展和相变界面的传热传质机理,可以为相变技术的应用与优化提供理论依据。填充多孔骨架的固-液相变过程是典型的非稳态、非线性、多尺度和多场耦合的问题。本文在课题组初期实验研究与数值计算的基础上,根据非平衡热力学和复杂介质中相变的基本原理,采用理论分析、数值模拟相结合的方式对该问题进行研究。基于多孔介质渗流和多相流理论,建立了相变糊状区两区域模型:在高含液率区(固体小颗粒与流体共存)采用多相流模型进行分析;在低含液率区(固体大颗粒、部分流体与固体基体共存)采用多孔介质渗流模型分析。选取热格子Boltzmann方法的双分布函数(DDF,密度与温度分布函数)来进行模拟计算,其中离散速度模型采用D2Q9模型。通过在速度演化方程中添加热浮升力项来实现流动与传热的耦合;通过增加热平衡态分布函数和松弛因子来实现流/固耦合;通过焓法封闭方程来建立温度与含液率的关系。并与文献中的研究结果进行比较,验证了所用LBM模型和所选取边界条件的有效性。采用数值重构的方法(四参数法,QSGS)生成多孔骨架,研究骨架的各个参数对于骨架详细结构的影响。将孔隙率(n=0.7、0.8和0.9)以及导热系数(?=5、10、20和50)的骨架与相变材料组成封闭方腔,并分别进行数值模拟。结果表明:1)在相变的前期,多孔骨架能够提高整场的融化速度,并且会增加相变糊状区的厚度;2)多骨架的孔隙率越小,其基体在整场中所占比重就越大,会增强整场的导热系数,使得前期融化速率升高,而后期融化速率下降;3)随着多孔骨架导热率的升高,对应的热壁面平均Nu数也会提高,高导热率的影响随着相变过程的进行逐步减弱;4)填充符合相变传热规律的多孔骨架可以大幅度提高相变换热的效率,增加准稳态阶段的融化率;5)当多孔骨架的热物性与相变材料的热物性差别较大时,热壁面受到突然的高温作用时,骨架与相变材料之间会存在温度差异,产生了局部热非平衡效应,它会对相变过程带来一定的影响。研究固-液相变场中主要无量纲参数Ra数、Pr数、Ste数对固液相变过程的影响。可以发现:1)Ra数越大,自然对流强度越大,引起糊状区的弯曲程度变大,且在靠近下壁面处更宽;2)Pr数的增大使得热壁面平均Nu数增大,且填充多孔骨架会减弱其影响效果;3)Ste数越高表示更多的热量将用于发生相态改变,而不是变为潜热储存起来,这会加快整场的融化速率,但对于相变储能系统则是不利的。