相变材料接触熔化的研究现状与发展

研究固液相变过程的传热特性与机理,是当前传热传质学的重要课题之一,而相变材料的接触熔化问题有其自身的特殊性和复杂性．文中回顾了近１８年来有关加热体与固体相变材料表面间接触熔化的研究,对这一领域的研究发展状况作一述评,并简要介绍作者最近取得的一些成果．内容包括各种形式的接触熔化,可归纳为：在接触形状上可以有凹、凸与平的面,而接触的周长可以是矩形、圆形、椭圆形、抛物线形与弧形曲线;相对运动的类型有固体相变材料在加热容器内熔化,加热体通过熔化固体介质的运动,滑动接触与滚、转动接触;引起接触熔化的原因有温差、压力差、摩擦与粘性热．     

围绕水平椭圆柱热源接触熔化分析

对相变材料围绕水平椭圆柱热源温差接触熔化过程进行了分析．针对按以往模型所得结果的问题：边界层厚度在φ为90°时趋于无穷大,考虑椭圆柱表面和固液相变界面法向角的不同,建立了新的数学模型,推导出其熔化过程基本方程,并求得边界层压力分布,固液相界面法向角变化规律,边界层厚度分布和椭圆柱运动速度与外力的关系．讨论了不同椭圆压缩系数下的方程解,分析表明,在考虑熔化界面法向角后,椭圆柱两侧的边界层厚度为一有限值,与所做实验观测的结果一致．     

围绕水平椭圆柱热源接触熔化的分析

对水平椭圆柱热源依靠其自身重量在相变材料中接触熔化过程进行了研究．根据椭圆作图法则，将其分段圆弧化后，利用Ｎｕｓｓｅｌｔ液膜理论，对接触熔化区的液体传热与运动进行了分析．求得无量纲的热源运动速度与熔化的液体体积，并讨论了椭圆压缩系数对它们的影响．所得结果包含了圆柱热源时的结论．     

接触熔化的热力学优化

对矩形腔内接触经过程进行有限时间热力学分析，以熔化时间内熵产最小为目标，推得最优熔化过程所应满足的二阶非线性常微分方程，数值计算表明，最优熔化过程的各项 指标经恒温加热的为佳。     

固态相变材料的运动对熔化传热的影响

在熔化过程中,由于相变材料的固、液密度不同,引起未熔化的固态相变材料下沉或上浮.固态相变材料的运动对熔化传热过程有着重要影响.利用润滑近似理论,推导出了未熔化的相变材料的运动速度的计算式,分析了相变材料的运动对熔化传热的影响,并与自然对流对熔化传热的影响作了比较.     

固态相变材料的运动对熔化传热的影响

在熔化过程中,由于相变材料的固、液密度不同,引起未熔化的固态相变材料下沉或上浮．固态相变材料的运动对熔化传热过程有着重要影响．利用润滑近似理论,推导出了未熔化的相变材料的运动速度的计算式,分析了相变材料的运动对熔化传热的影响,并与自然对流对熔化传热的影响作了比较．     

生活水箱内相变材料封装结构改进及熔化性能研究

针对生活水箱内封装相变材料现有强化换热方法(如添加翅片或膨胀石墨)会导致蓄能密度降低与石墨沉降等问题,提出在不添加外物的基础上,对当前水箱中应用最为广泛的圆柱型封装结构进行优化改进,通过减小其底面/顶面半径比形成侧壁面倾斜的倒圆锥型结构,使得固态相变材料在重力作用下自然沉降时可充分与面积占比较大的侧壁面发生接触熔化,从而实现相变材料熔化性能的提高.为探究倒圆锥型封装相变材料熔化性能,建立相应熔化传热模型,并通过可视化实验进行验证.在该模型的基础上,对倒圆锥型和圆柱型结构封装相变材料的熔化性能进行了对比和分析.结果显示在相同体积(1.74e-04 m3)和高度(0.055 m)下,倒圆锥型结构封装相变材料完全熔化时间为2520 s,与圆柱型结构相比缩短了690 s,熔化性能提高了21.5％.倒圆锥型结构封装相变材料熔化过程中,除接触熔化外液态相变材料的自然对流也对熔化性能有显著影响,且侧壁处形成的Rayleigh-Bernard环流会削弱相变材料接触熔化性能.此外,发现在自然对流与接触熔化共同作用下,正圆锥型结构封装相变材料熔化性能与倒圆锥型结构相比更强,提高了16.7％.在实际应用中可将正圆锥与倒圆锥型封装结构结合使用,在有效利用空间的基础上实现蓄热量和蓄热效率的同时提高.     

自然对流对方腔内相变石蜡熔化蓄热的影响

相对于传统材料,基于潜热储能的相变材料具有更高的储热效率。为了研究方腔内相变材料的蓄热机理,基于Boussinesq假设修正满足于相变过程的动量方程,并建立底边加热下相变材料熔化蓄热的流-固-热三场耦合计算模型。采用有机相变石蜡材料,开展底部恒定温度下的石蜡熔化蓄热试验,验证计算模型的正确性。结果表明,整个相变石蜡熔化过程是由热传导和自然对流传热两者共同主导的。在熔化初期,熔化前缘基本与加热面平行,热量传输主要由热传导提供。当液相层厚度大于2mm后,自然对流传热效应逐渐被激活,加速熔化速率,并形成不规则的融化前缘。根据熔化前缘与液相流动特征,可将整个熔化过程分为热传导、稳定增长、过渡及紊流四个阶段。此外,液相自然对流传热对相变石蜡的熔化蓄热效率提升存在显著的尺寸效应,并随方腔尺寸增加而加剧。当方腔尺寸小于2mm时,自然对流的提升效率不足1%,此时可忽略不计。     

轴对称椭球体移动过程的接触熔化研究

研究了相变材料围绕移动的轴对称椭球体热源的接触熔化。得到熔化速度、熔化体积与热源表面温度的分析解。讨论了椭圆压缩比对这些特征参数的影响，并与相同体积的球体热源的接触熔化过程进行了比较，得到一些有益的结果。当压缩比为１时，有关结果将适用于圆球。     

铝硅合金相变材料凝固/熔化过程的数值分析

利用计算流体力学软件FLUENT的凝固/熔化模型,对双层壁圆筒内填充的铝硅合金相变材料的熔化/凝固过程进行了数值模拟,得到了在第3类边界条件下圆筒内相变材料在凝固/熔化过程中的动态温度场分布、相界面移动规律及凝固/熔化时间等,对蓄热装置的设计及实验研究提供了重要的参考价值。     

Analysis of contact melting around a horizontal elliptical cylinder heat source

The process of △T-driven contact melting of the solid phase change material (PCM) around an horizontal elliptical cylinder heat source is analyzed. Aiming at the problem existed in the published literature, namely the thickness of boundary layer tends to be infinite at = 90o, and considering the difference of normal angle between the horizontal elliptical cylinder surface and the solid-liquid interface of PCM, a new mathematic model is proposed, and the fundamental equations for the melting process are derived with the film theory. The new pressure distribution inside the boundary layer, the variation law of normal angle of the solid-liquid interface, the thickness of the boundary layer and the relationship between the melting velocity and resultant force are obtained. The solutions of the fundamental equations under different elliptical compression coefficients are analyzed and discussed. It is found that the thickness of the boundary layer obtained by the new model is a finite value and accords with the experimental result at = 90o.     

平板蓄冷单体内凝固传热特性理论研究

建立了描述相变蓄冷材料在平板蓄冷单体内凝固过程数理模型,发展了求解相变界面变化规律的热阻法,该方法是利用一阶精度解获得二阶、甚至更高阶精度的解．并利用计算结果, 分析了斯蒂芬（ Ｓｔｅ） 数对相变凝固厚度及相变凝固速率的影响     

零重力场中平行通道热管启动融化特性的地面实验

本文根据物理过程与数值计算结果的分析，探索微零重力场中平行通道热管启动融化特性在地面实验的方法，即将三维问题合理地分解成二个二维平面的融化过程进行实验，原理性的实验表明，这种方法可在重力场中测试观察无重力影响时的融化过程，实验结果与数值计算很好吻合一致．本方法可望用以研究这种平行通道热管在航空飞行中启动融化的特性，因而具有其重要意义。     

有限厚度的无限大板熔融问题

采用近似分析方法对熔融物完全排除的有限厚度的无限大板熔融问题进行了较为细致的探讨。针对具有恒热流边界的情况,得出了熔融位置随时间变化的无量纲关系式,并讨论了不同边界条件、初始条件及不同斯蒂芬数(Ste)对熔融曲线的影响。     

洪家渡水电站厂房矩形钢混柱接触分析研究

以大型结构分析程序ANSYS为基础，对洪家渡水电站厂房偏心受压钢管混凝土柱进行分析，研究了矩形钢管混凝土柱的接触分析模型和计算方法，通过比较计算研究了钢管和混凝土间接触面的接触刚度和摩擦系数对结构整体性能的影响，为矩形钢管混凝土柱的接触分析提供了一种合理有效的方法．     

Analysis of contact melting around a horizontal elliptical cylinder heat source

The process of AT-driven contact melting of the solid phase change material （PCM） around a horizontal elliptical cylinder heat source is analyzed. Aiming at the problem existed in the published literature, namely the thickness of boundary layer tends to be infinite at φ = 90°, and considering the difference of normal angle between the horizontal elliptical cylinder surface and the solid-liquid interface of PCM, a new mathematic model is proposed, and the fundamental equations for the melting process are derived with the film theory. The new pressure distribution inside the boundary layer, the variation law of normal angle of the solid-liquid interface, the thickness of the boundary layer and the relationship between the melting velocity and resultant force are obtained. The solutions of the fundamental equations under different elliptical compression coefficients are analyzed and discussed. It is found that the thickness of the boundary layer obtained by the new model is a finite value and accords with the experimental result at φ = 90°.