三维Y肋相变蓄热器的热性能数值模拟及分析

运用数值模拟的方法，研究了三维Y型肋片不同分布时模型对相变蓄热器蓄放热过程以及入口流速对蓄热过程的影响。结果表明：首先，在轴向不同位置处，蓄放热过程有明显差异，特别是蓄热过程；其次，Y型肋片越向底部聚集，自然对流持续时间越长，蓄热效果越好；在蓄热过程中，模型5 (30˚ Y型肋片模型)相比于模型2 (72˚ Y型肋片模型)蓄热时间缩短了19.01%，在放热过程中，模型2、模型3、模型4和模型5相比于模型1放热时间分别缩短了67.77%、44.39%、22.65%和12.20%。最后，提高换热流体入口流速可明显缩短熔化时间，但对蓄热速率的增大程度有一定范围。当入口速度大于0.1 m/s时，入口速度对熔化时间的影响显著降低。

储热技术被认为是解决太阳能、风能、地热能等可再生能源连续性问题的关键。储热分为化学储热、显热储热和相变储热，其中相变储热与显热储热相比，储热密度更大、结构更紧凑，且相变过程相变温度变化稳定，与化学储热相比更安全、更易控制，相变储热已成为国内外研究热点。

为强化相变蓄放热性能，在相变蓄热器结构中添加翅片是主要手段。Zhang [1]等人通过数值模拟的方法研究了四种不同翅片布置(下翅片、上翅片、中翅片和算术翅片)的LHTE 热性能，结果表明，采用算术翅片可使完全熔化时间缩短49.9%，使性能最大化，且相变材料在熔化过程均匀性最大。Yu、M.

Alizade [2] [3] [4]等人通过仿生学的方法建立了树状、V 形和Y 形肋片，运用响应面法对肋片进行优化， 分别获得了最优的肋片几何参数，数值模拟结果表明在潜热储能系统中多级肋片可加快相变过程以及使温度场更均匀。张峰鸣[5]采用数值模拟的方法对4 种多相变材料的分腔式蓄热模型的蓄热过程进行了分析，结果表明对于不同的分腔模型采用不同PCM 组合填充方案能获得更好的蓄热效果。任智彬[6]等人通过数值模拟的方法对三维不同肋片模型的相变蓄热单元的蓄放热特性进行了分析，结果表明，添加分形肋片可以大大提高相变蓄热单元的蓄放热速率，并且Y 型肋片相比于T 型肋片整体效果要好。林道光[7]等人以内翅式套管相变蓄热器为研究对象， 运用数值模拟的方法探讨了蓄热器内翅片个数、翅片高度、翅片厚度等因素对石蜡蓄热过程的影响，结果表明自然对流在内翅式套管相变蓄热器蓄热过程中有重要作用，且翅片个数、高度和厚度的增加均能加强换热，但增强换热效率会趋于平缓。

综上所述，国内外学者在蓄热器结构优化方面做了大量的工作，但大多文献较少从三维上对模型进行研究和较少涉及到关注蓄热器底部PCM 难熔问题并且在这一方面上结合自然对流作用的影响进行研究。本文建立了三维相变蓄热器模型，考虑自然对流的作用，并考虑流体侧对流换热、壁面导热和相变区的耦合换热，通过数值模拟方法研究Y 型肋片不同分布以及不同入口速度对相变蓄热单元蓄放热的影响，同时分析轴向和径向上传热差异特性，为蓄热器的结构优化提供参考。