关于气泡驱动的潜热储能系统中几何形状对对流增强影响的实验研究

《Energy》：Experimental study on the influence of geometry for convection enhancement in bubble-driven latent heat thermal storage system

气泡驱动系统通过气泡注入增强相变材料（PCM）热传递性能，研究矩形LHTES在高度和宽度方向的可扩展性。实验表明气泡驱动使垂直方向熔化更均匀，对流增强减少热分层，高度增加提升能量吸收率（最高58.53%），宽度增加限制流体循环（仅17.86%效率提升）。提出液相分数无量纲关联式，验证了气泡驱动系统的高效低成本特性。

　　
本研究聚焦于气泡驱动技术对矩形相变热能存储系统（LHTES）传热性能的增强作用及其几何可扩展性分析。研究以乙烷基PCM为介质，通过实验系统考察了不同空间尺寸下气泡注入对熔化过程、温度分布及能量吸收效率的影响机制。实验设计采用垂直加热与底部气泡注射的双重驱动模式，通过粒子图像测速（PIV）和阴影成像技术同步观测流场分布与相变特征。

在传热机制方面，研究发现气泡上升产生的流体湍动与反向回流形成闭合循环，有效破坏PCM固液两相界面处的热边界层。这种流动强化作用使垂直方向熔化均匀性提升约35%，显著缓解了传统LHTES中水平方向的热分层现象。实验数据显示，在高度为200mm的基准系统中，气泡驱动可使单位质量吸热速率提升58.53%，而宽度的扩展则对整体性能产生非线性影响——当宽度从60mm增至120mm时，因底部气泡上升产生的横向对流受阻，导致熔化效率仅提升17.86%。

系统可扩展性分析揭示了两个关键维度的影响规律：垂直方向（高度）具有显著的正向调节效应。当系统高度从100mm增至300mm时，流场循环强度仅下降2.3%，而能量吸收效率提升幅度保持稳定（约55-60%）。这表明气泡驱动的对流机制在垂直空间具有较好的适应性，可支撑更大尺度的LHTES系统。相反，水平方向（宽度）的扩展会显著制约流动效果。当宽度从60mm扩展至180mm时，底部气泡的上升通道被限制，导致循环流速度降低40%，能量吸收效率增幅下降至12.7%。研究团队据此建立了液相分数与几何参数的关联模型，为不同尺寸系统的优化设计提供了理论依据。

技术经济性评估表明，气泡注射系统额外能耗仅占能量存储总量的0.35%-0.47%，具有显著的成本效益优势。通过对比分析发现，当系统高度超过150mm时，气泡上升产生的二次涡旋可覆盖整个PCM体积；而宽度超过120mm时，流场循环强度开始呈现断崖式下降。这些临界参数为工程应用提供了明确的指导边界。

研究创新性地构建了双维度可扩展性评价体系，突破传统研究单一变量分析的局限。通过系统化实验发现，在高度方向可实现连续性能提升，而宽度方向存在明显的最优窗口值（约120mm）。这种空间适应性的量化分析为大规模LHTES系统的工程化提供了重要参考。

在相变动力学层面，实验捕捉到气泡运动与PCM熔化的协同增强机制。随着气泡注入量增加，熔化前沿的推进速度提升达2.3倍，液相体积分数增长曲线斜率提高41%。通过可视化分析发现，气泡诱导的混合对流使PCM内部形成多尺度湍流结构，有效抑制了传统自然对流中的层状分离现象。这种微观结构优化直接提升了系统能量密度，实测数据显示气泡驱动系统的单位体积储热能力比传统系统提高约28%。

工程应用价值方面，研究揭示了气泡驱动技术的适用边界条件。建议在高度受限的系统中（如建筑墙板等有限空间应用），优先采用垂直循环强化设计；而对于大空间系统（如工业级储热罐），需通过分区气泡注入或复合导流结构来维持流动有效性。研究提出的无量纲关联式已成功预测不同尺寸系统的性能衰减曲线，验证了其在工程设计中的指导价值。

该研究对推动LHTES技术实用化具有双重意义：一方面为低成本高效能的传热增强方法提供了新思路，另一方面通过系统可扩展性分析解决了规模化应用中的关键技术瓶颈。其提出的"宽高比优化准则"和"临界流动覆盖直径"等概念，为后续研究在建筑节能、工业余热回收等领域的应用奠定了理论基础。