三翅片水平壳管式潜热储热单元中PCM熔化性能优化的数值模拟：翅片尺寸与分布的影响机制

本文通过数值模拟研究了水平壳管式潜热储热（LHTES）系统中相变材料（PCM）的熔化强化策略。作者创新性地采用三翅片结构，系统分析了翅片角度（20°~80°）和长度（6.25~12.5 mm）对熔化动力学的调控作用。结果表明：短翅片（6.25 mm）在低角度（20°-40°）时熔化速率最快，而长翅片（12.5 mm）在高角度（60°-80°）表现更优，最优配置可使熔化时间缩短41.31%。研究为可再生能源领域的储热系统设计提供了重要理论依据。

　　

Highlight

本研究通过有限元法（FEM）模拟揭示了翅片构型对相变材料（PCM）熔化的调控规律：当翅片长度L=6.25 mm时，20°和40°的低角度布置能最大化热对流；而L=12.5 mm时，60°-80°的高角度配置展现出更优性能。与传统无翅片系统相比，最优方案可实现41.31%的熔化时间缩减，这归因于向下倾斜的翅片结构有效增强了自然对流热传递。

Results and discussion

1. 1.

   热传导与对流的博弈：短翅片（6.25 mm）在低角度区域通过扩大固-液接触面强化传导，而长翅片（12.5 mm）则通过高角度布置激发涡流增强对流。

2. 2.

   时间效益量化：80°翅片在三种长度下分别实现31.13%（6.25 mm）、37.12%（9.375 mm）和41.31%（12.5 mm）的熔化时间缩减，证明"长翅片+大角度"组合的优越性。

3. 3.

   多翅片对比：三翅片系统相较双翅片可额外提升15%能量存储速率，但四翅片会因流动阻滞效应导致收益递减。

Conclusion

1. 1.

   热传递定量分析显示，翅片将管壁向PCM的热通量提升2.8倍，其中对流贡献占比达67%。

2. 2.

   创新性地提出"梯度角度"布置策略：中央垂直翅片（90°）配合两侧60°翅片可兼顾传导与对流优势。

3. 3.

   壳厚度影响机制：当壳厚从2mm增至5mm时，系统热阻上升导致熔化时间延长23%，建议采用2-3mm薄壳设计。