研究空气流速对相变材料热传递影响，提升设备温度控制效率的研究成果

本研究聚焦于解决全球能源需求增长与环境问题，通过研究空气流速对相变材料（PCM）热传递的影响，旨在提升热管理系统中PCM的热吸收和相变效率，为电子设备、建筑节能等领域提供高效温度控制方案，研究结果表明增加空气流速可显著提高PCM的熔化速率和热传递效率，具有重要的实际应用价值。

　　随着全球能源需求的快速增长，预计到2040年能源消耗将增加48%。这一增长主要依赖于化石能源，导致环境退化和全球变暖加剧。因此，开发可再生能源和高效的热能存储技术成为当务之急。热能存储系统（Thermal Energy Storage, TES）被认为是一种可行的解决方案，其中潜热热能存储系统（Latent Heat Thermal Energy Storage, LHTES）因其能够在相变过程中保持稳定温度而备受关注。然而，常用的相变材料（Phase Change Materials, PCMs）如石蜡等，由于热导率较低，限制了其能量存储和释放速率。为解决这一问题，研究人员通过增加换热面积、使用泡沫金属或纳米添加剂等方法来提高热传递效率。尽管已有大量研究关注PCM的热传递，但关于空气流速对其热传递影响的研究仍较少。

为此，来自伊拉克大学的研究人员开展了一项研究，旨在探讨不同空气流速对PCM热吸收和相变过程的影响。研究以RT42石蜡作为PCM，通过ANSYS/FLUENT 16软件模拟了不同热流密度（500-1500 W/m2）和空气流速（0.5-1.5 m/s）条件下的热传递过程。研究结果表明，增加空气流速可显著提高PCM的熔化速率，例如在热流密度为500-1000 W/m2时，空气流速增加1 m/s可使熔化过程提高14%，而在1000-1500 W/m2时提高45%。这一发现为优化热管理系统中的空气流速提供了理论依据，有助于提高电子设备、建筑节能等领域的温度控制效率。该论文发表在《Heliyon》杂志上。

研究人员采用的主要技术方法包括：1）利用ANSYS/FLUENT 16软件进行数值模拟，分析PCM在不同条件下的熔化过程；2）通过设置不同的热流密度和空气流速，研究其对PCM热传递的影响；3）采用焓-孔隙度方法（enthalpy-porosity method）模拟PCM的相变区域，考虑了PCM在固态和液态之间的相变特性。

研究结果如下：

1. 不同热流密度和空气流速下的熔化过程：
   • 在热流密度为500 W/m2时，空气流速从0.5 m/s增加到1.5 m/s，PCM的熔化速率显著提高，表明增加空气流速有助于加速热传递和熔化过程。
   • 在1000 W/m2和1500 W/m2的热流密度下，类似的趋势被观察到，且熔化速率的提升更为显著，特别是在较高热流密度下，空气流速对PCM熔化的促进作用更为明显。
2. 温度分布与流速模式：
   • 研究发现，增加空气流速可使PCM表面温度降低，从而提高热传递效率，维持PCM内部温度的稳定性。
   • 在不同热流密度下，空气流速的增加均有助于形成更均匀的温度分布，减少局部过热现象。
3. 熔化分数与时间的关系：
   • 在不同热流密度和空气流速条件下，PCM的熔化分数随时间的变化表明，增加空气流速可显著缩短PCM的熔化时间，提高热能存储和释放的效率。

研究结论强调了优化空气流速在提高PCM热传递效率中的重要作用。通过增加空气流速，不仅可以加速PCM的熔化过程，还能提高热管理系统中温度控制的稳定性和可靠性。这一发现为设计更高效的热能存储系统提供了重要的理论支持，尤其是在电子设备冷却、建筑节能等领域具有广泛的应用前景。未来的研究方向包括探索其他PCM材料在不同空气流速下的热传递特性，以及研究不同几何形状和尺寸的PCM容器对热传递的影响。