弧形环状翅片对管壳式潜热储能单元热性能的优化研究

本研究针对潜热储能(LHTES)系统中相变材料(PCM)导热性差的关键问题，创新性地设计了六种弧形环状翅片构型（全/分体式直翅、下弧翅和上弧翅），通过数值模拟揭示了全翅片上弧构型可使熔化时间缩短3.2%，为优化可再生能源储能系统提供了重要设计依据。

　　

在全球能源转型背景下，如何高效储存间歇性可再生能源成为关键挑战。相变材料(PCM)虽具有高能量密度的优势，但其"先天不足"的低导热性导致潜热储能(LHTES)系统充放能效率低下。传统解决方案多采用直翅片强化传热，却忽视了翅片几何形态对自然对流效应的潜在影响。

针对这一技术瓶颈，伊朗德黑兰K.N.托西理工大学机械工程学院的Sina Javanmard团队在《Journal of Energy Storage》发表创新研究。研究人员突破常规思维，首次系统比较了弧形翅片的三维空间构型对热性能的影响。通过设计全/分体式直翅、下弧翅和上弧翅六种构型，揭示了翅片曲率方向与重力场协同作用的新机制。

研究采用计算流体力学(CFD)方法，建立包含连续方程、动量方程和能量方程的数学模型，引入焓-孔隙度技术处理固液相变界面。通过Grashof数(Gr)和Prandtl数(Pr)等无量纲参数分析对流强度，采用mushy zone常数(C)控制相变区渗透率。数值模型经实验数据验证后，系统比较了不同构型的熔化时间、液相分数和温度场均匀性。

Materials and methods
建立三维轴对称模型，设置边界条件为恒壁温60°C（高于PCM熔点）。控制变量包括翅片高度(d=15mm)、厚度(δ=2mm)和间距(p=20mm)。采用有限体积法离散控制方程，SIMPLE算法处理压力-速度耦合。

Results and discussion
全翅片构型始终优于分体式设计，其中全上弧翅表现最佳：

1. 熔化时间比全直翅缩短3.2%，归因于弧面产生的二次流增强了对流传热
2. 分体式上弧翅仍比对应直翅快2.1%，证明弧线构型本身具有优势
3. 下弧翅因阻碍自然对流，性能劣于直翅构型
4. 液相分数曲线显示，上弧翅可提前15%时间达到完全熔化状态

Conclusions
该研究首次证实翅片空间取向是影响LHTES性能的关键参数。最优的全上弧翅构型通过三重机制提升性能：增大传热面积、引导热羽流路径、强化边界层扰动。这一发现为新一代高密度储能设备设计提供了理论指导，对太阳能热发电系统优化具有重要工程价值。

值得注意的是，翅片弧度与重力场的协同作用呈现非对称性：上弧设计促进热流体沿翅片表面上升，而下弧构型反而形成"热陷阱"。这一现象为后续研究提供了新的物理认知维度，建议未来结合拓扑优化方法进一步探索最佳曲率半径。