偏心式传热流体管道布局对潜热储能单元拓扑优化翅片构型及性能的影响研究

本文创新性地将传热流体(HTF)管道的偏心布局与拓扑优化翅片(TOF)设计相结合，通过以平均温度为优化目标函数，构建了新型偏心拓扑优化翅片模型。研究表明：偏心度0.6的TOF结构可使相变材料(PCM)完全熔化时间较传统翅片(CF)缩短40.5%，并拟合获得Fo-eccentricity、Fo-Ra及Nu-Ra等无量纲数关联曲线，为LHTES系统传热强化提供了新思路。

　　

Highlight

本研究通过拓扑优化技术，系统分析了偏心式传热流体(HTF)管道布局对潜热储能(LHS)单元中拓扑优化翅片(TOF)构型的影响。创新性地发现：当偏心度(eccentricity)达到0.6时，TOF结构能最大化利用自然对流效应，使相变材料(PCM)完全熔化时间较传统翅片(CF)缩短40.5%，较无翅片结构更是缩短92.3%。

Physical model

图1展示了潜热储能(LHTES)壳管式结构的三维示意图。储能单元水平放置，长度400mm，内管半径r=18mm，外壳半径R=54mm。通过向下偏移内管形成偏心结构，偏移距离Δ定义为偏心距，其无量纲参数ε=Δ/(R-r)用于量化偏心程度。

Independence verification

为确保模拟可靠性，对网格数量(638,376至921,987单元)和时间步长(0.25-0.75s)进行独立性验证。结果显示当网格数超过787,116且时间步≤0.5s时，PCM液相分数变化曲线趋于稳定，最终选用787,116网格与0.5s步长的组合方案。

Topology optimization results

重点探究了迭代次数、惩罚因子、过滤半径等参数对偏心结构(e=0.6)拓扑优化的影响：

1. 1.

   迭代过程显示，翅片分支在50代后形成稳定树状结构

2. 2.

   惩罚因子p=3时既能避免棋盘格现象又保持结构连通性

3. 3.

   过滤半径r_f=0.03可有效平滑边缘锯齿

Conclusions

1. 1.

   偏心布局使TOF产生不对称分支结构，显著扩大自然对流主导区

2. 2.

   熔化阶段Nu数峰值较同心结构提升58%，但凝固阶段性能差异可忽略

3. 3.

   建立的Fo=0.012ε²+0.034ε+0.21关联式能准确预测不同偏心度下的传热特性