熔融分数松弛因子对潜热储能数值模拟的影响研究：基于焓-孔隙度法的深入分析

为解决相变材料(PCM)熔化过程中焓-孔隙度法数值模拟的精度问题，印度VNR Vignana Jyothi理工学院团队系统研究了熔融分数松弛因子(RF)在0.1-1.0范围内对垂直双管式潜热储存(LHS)装置的影响。研究发现总熔化时间呈指数变化，RF≤0.5时变化显著，而RF>0.5时影响减弱；第四季度熔化时长占全过程50%，自然对流跳跃(NCJ)幅度与RF无关。该研究为优化相变储能设备数值模拟参数提供了重要依据。

　　

在全球能源危机和碳中和目标的驱动下，相变材料(PCM)因其卓越的潜热储能能力成为研究热点。然而，现有数值模拟方法中关键参数——熔融分数松弛因子(RF)的影响机制尚不明确，这直接制约着相变储能设备的设计精度。传统焓-孔隙度法(enthalpy-porosity)虽被广泛应用，但RF取值多依赖经验，缺乏系统性研究，导致模拟结果与实验数据常存在偏差。

针对这一瓶颈问题，印度VNR维格纳纳·乔蒂理工学院(VNR Vignana Jyothi Institute of Engineering and Technology)的Lanka Sandeep Raj团队在《Sustainable Chemistry for Climate Action》发表了创新性研究。研究人员以垂直双管式潜热储存装置为对象，采用RT35相变材料，通过控制变量法系统考察了RF在0.1-1.0范围内对熔化过程的影响。研究结合有限体积法(FVM)和SIMPLE算法，建立二维轴对称模型，通过网格独立性验证和实验数据校准确保可靠性，重点分析了总熔化时间、熔融分数演化、PCM平均温度和自然对流跳跃等关键参数。

关键技术方法包括：1) 基于Carmen-Kozeny方程构建焓-孔隙度模型，设置形态常数C_m=10⁶ kg/m³s；2) 采用9525单元网格和0.5s时间步长平衡计算精度与效率；3) 通过Longeon等实验数据验证模型准确性，温度误差控制在5%以内；4) 将熔化过程划分为四个季度(Q1-Q4)量化阶段特征。

研究结果揭示多个重要发现：

4.1 总熔化时间

总熔化时间随RF增大呈指数衰减(Time=988.52*e^-2.411RF)，RF≤0.5时降幅显著(如RF=0.1→0.2降幅达50.6%)，而RF>0.5后变化趋缓(RF=0.9→1.0仅降10.2%)。

4.2 熔融分数演化

第四季度熔化耗时占全程50%，其持续时间等于前三季度总和。RF≤0.6时，Q2/Q3/Q4耗时分别为Q1的1.5倍、2.0倍和5.3倍；而RF>0.6后该比例降至1.1倍、1.5倍和4.0倍。

4.3 PCM平均温度

RF≤0.5时出现早期温度峰值(如RF=0.1在熔化5%时即达峰值)，导致斜率陡增(51.81°C/min)；RF>0.5则保持稳定升温(4.52°C/min)。温度-熔融分数曲线在RF>0.5时符合T=40.97(MF)+24.98线性关系。

4.4 自然对流跳躍

NCJ现象在37.5-49°C区间发生，耗时仅占8%熔化过程但贡献9°C温升。RF变化仅影响NCJ发生时间(截距-31.55至-8.76)，对斜率(0.13-0.95)影响微弱。后续温度平台期持续51-1253分钟，占熔化总时间50%以上。

该研究首次系统阐明了焓-孔隙度法中RF的量化影响规律：1) 确定0.5