利用梯度叶脉鳍片通过相场方法增强水平潜热储存能力

《Journal of Energy Storage》：Enhancement of horizontal latent heat storage using gradient leaf-vein fins via the phase field method

壳管式潜热热能存储单元性能受限于PCM热导率，本研究受叶脉结构启发设计梯度鳍片，通过二维CFD模拟与多参数分析，验证径向梯度鳍片显著加速熔化并提升效率，其中指数梯度设计使熔化时间减少43.32%、平均功率提升76.37%，建立熔化时间与鳍长无量纲关系，并揭示分叉角45°优化熔化速率，90°提高储热密度，最终构建壁温与熔化速率的预测模型。

　　

周雷|张良亮|高阳

中国农业大学理学院，北京，100083，中国

摘要

壳管式潜热储能（LHTES）单元的性能从根本上受到相变材料（PCMs）本身较低的热导率的限制。受到叶脉梯度分布的启发，本研究提出了具有均匀线性、二次、三次和指数梯度轮廓的创新翅片配置，以增强PCMs的熔化过程。通过使用基于有限元的相场方法的二维计算流体动力学（CFD）模拟和多参数分析，我们证明了径向梯度翅片显著加速了熔化过程并提高了能量储存效率。指数梯度设计的最外层翅片最长，总熔化时间减少了43.32%，平均功率提高了76.37%。进一步分析表明，更长的最外层翅片可以减少熔化时间并提高功率，而总储存能量在最外层翅片长度为16.004毫米时达到峰值。建立了一个无量纲关联关系，将熔化时间与翅片长度联系起来。此外，侧脉之间的分叉角度也非常重要，45°的分叉角度有利于熔化速率，而90°的分叉角度则能最大化储存密度。最后，本研究提出了一个预测模型，能够准确地将壁温与优化配置下的PCM熔化速率相关联。

部分摘录

术语表

E_s重力加速度侧翅片长度热导率L_f

缩写
a, b, x0, y0	分布曲线的相关系数
Am	软区常数	[kg/(m3·s)]
C0	1 kg/(m3·s)，确保单位一致性	[kg/(m3·s)]
Cp	比热容	[J/(kg·K)]
D	外壳内径	[m]
Dc	特征长度	[m]
d	内管内径	[m]
El	潜热	[kJ]
显热	[kJ]
Et	总储存能量	[kJ]
Fo	傅里叶数
g	[m/s2]
H	[m]
k	[W/(m·K)]
潜热	[kJ/kg]
l

叶脉仿生梯度分布翅片配置

自然界中叶脉普遍存在的分形结构启发了水平壳管式换热器中改进翅片配置的设计，如图1所示。这种多级分支结构优化了PCMs内的热传递路径，从而显著提高了热性能。基于轴向温度梯度可以忽略不计的假设[46]，物理模型被简化为二维模型。此外，还利用了几何学原理

网格模型和实验验证

控制方程组通过有限元方法（FEM）进行数值求解。对于空间离散化，流场（速度和压力）使用P1 + P1元素；温度场使用线性拉格朗日元素离散化，而相场变量则使用四阶拉格朗日元素求解，以准确捕捉扩散界面描述中的高梯度和曲率效应。

熔化行为

为了明确展示我们提出的梯度翅片结构的实际优势，引入了一种简单的直翅片配置，以便对不同结构进行全面比较。图8(a)展示了各种翅片配置下液相分数随时间的演变情况。最初，所有设计的熔化速率相似，显示出快速线性增长。在这一以传导为主的早期阶段，均匀（参考）翅片结构表现出

结论

本文借鉴了天然植物叶脉结构的高效传输特性，提出了一种创新的、类似叶脉的仿生LHTES系统，其特征是翅片长度具有梯度变化。该设计有效提高了PCMs的熔化性能和能量储存效率。通过使用相场方法，系统地分析了不同翅片配置、长度和角度以及壁温对相变行为的影响。

CRediT作者贡献声明

周雷：撰写——原始草案、可视化、验证、软件、方法论、研究、形式分析。张良亮：撰写——审阅与编辑、验证、监督、项目管理、资金获取、形式分析、概念构思。高阳：撰写——审阅与编辑、监督、项目管理、资金获取。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能会影响本文所述工作的财务利益或个人关系。

致谢

作者感谢以下机构对这项工作的财务支持：国家自然科学基金（资助编号：12102458、11972365、12272402）、中国高校科学基金（2025TC014）以及中国农业大学教育基金会（编号：1101-240001）。