关于潜热热能储存系统与旋转机构及非均匀仿生蜘蛛网鳍片耦合的热传递性能优化研究

《Journal of Energy Storage》：Optimization study on heat transfer performance of latent heat thermal energy storage system coupled with rotation mechanism and non-uniform bionic spider-web fins

　　

李杰|刘明高|孙晓兵|孙晓琴|张全|蒋长伟

长沙理工大学能源与动力工程学院，中国湖南省长沙市410114

摘要

潜热储能系统具有较高的能量密度和近乎等温的运行特性，但其实际应用受到相变材料本身导热性能较低的限制。本研究通过引入带有仿生蜘蛛网鳍结构的旋转机制来提高熔化性能。采用焓-孔隙率模型模拟RT55材料的熔化行为，并系统地研究了旋转速度（ω）、周向鳍间距减小参数（α）和径向鳍厚度增加比（β）的影响。性能评估指标包括熔化时间、总储存能量和能量储存率，并应用响应面方法进行多目标优化。结果表明：旋转速度为0.3 rpm时，熔化时间缩短24.94%，能量储存率提高25.78%；α=4时，熔化时间缩短14.2%，能量储存率提高16.54%；β=1.4时，熔化时间缩短30.67%，能量储存率提高40.32%。响应面方法确定β是主导因素，最优参数（α=4，β=1.4，ω=0.035 rpm）下，预测熔化时间为3607.02秒，总储存能量达到1.40×10^7 J，验证误差低于0.55%。研究表明，旋转与非均匀蜘蛛网鳍的结合显著提高了传热均匀性和能量储存效率，为太阳能收集和废热回收应用提供了实用指导。

章节摘录

符号说明

系统初始温度 [K]参考温度 [K]熔化温度 [K]相变材料的固相线温度 [K]相变材料的液相线温度 [K]总焓 [kJ/kg]$\mathit{\Delta H}$' role="presentation">$\mathit{\Delta H}$h显热 [kJ/kg]f液相分数A_{mush糊状区常数}k导热系数 [W/(m·K)]g重力加速度 [m/s^2]潜热

u	X轴方向的速度 [m/s]
v	Y轴方向的速度 [m/s]
t	时间 [s]
tfull	总熔化时间 [s]
p	压力 [Pa]
T	温度 [K]
T0
Tref
Tm
Tsolid
Tliquid
H
潜热 [kJ/kg]
L

如图1所示，潜热储能系统的物理模型由外壳、仿生蜘蛛网鳍和内壳组成，旋转方向设置为逆时针方向。外壳的内径R_0为300 mm，其边界假设为绝热；内壳的内径R_i为50 mm，保持恒定温度353 K；整个系统的初始温度统一设定为293 K。径向鳍

本研究采用ANSYS Fluent 2023求解器进行数值模拟。计算域采用ANSYS Meshing生成的非结构化网格离散化。压力-速度耦合通过SIMPLE算法处理，该算法因其鲁棒性和可靠的收敛性能而广泛应用于不可压缩流体的模拟[38]。压力项的离散化采用PRESTO!方案，因为它适合精确求解

旋转速度对熔化过程的影响

为了研究旋转对潜热储能系统传热性能的影响，考虑了三种不同的旋转速度（0.01 rpm、0.1 rpm和0.3 rpm）与无旋转基线情况（0 rpm）进行对比。图7和图8展示了在不同旋转速度下不同时间的液相分数和温度分布情况。观察到在熔化过程的早期阶段（1000秒内），温度和液相分数

本研究采用数值模拟方法系统分析了结合仿生蜘蛛网鳍结构的潜热储能系统在旋转条件下的熔化性能优化。重点研究了ω、α和β对熔化过程的影响。主要评估指标为熔化时间、储能量和储能率（TESR），同时利用响应面方法（RSM）优化设计参数，从而提供理论指导

李杰：撰写——审稿与编辑，撰写——初稿，监督，研究，资金获取。刘明高：撰写——初稿，软件，方法论，资金获取。孙晓兵：可视化，验证，软件。孙晓琴：撰写——审稿与编辑，监督，资金获取。张全：监督，资金获取。蒋长伟：监督，研究。

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本工作得到了国家自然科学基金（52208094、52578108、52578125）、湖南省教育厅（24B0286）和长沙理工大学（CLKYCX24054）的支持。