学术研究报告：基于温度依赖性密度与粘度的LiCl盐相变材料凝固过程研究

作者与发表信息

本研究由Nur Syah Ibrahim（印度尼西亚Universitas Mercu Buana机械工程系）和Alief Avicenna Luthfie（印度尼西亚Universitas Mercu Buana与日本千叶大学联合培养团队）共同完成，发表于2025年4月的《Journal of Power, Energy, and Control》。论文标题为《Solidification Process Investigation of LiCl Salt as PCM with Temperature-Dependent Density and Viscosity by Enthalpy Porosity Simulation Model》，DOI编号10.62777/pec.v2i1.42。

研究背景与目标

科学领域：本研究属于高温相变储能（Latent Heat Thermal Energy Storage, LHTES）与计算流体力学（Computational Fluid Dynamics, CFD）交叉领域，聚焦于相变材料（Phase Change Material, PCM）的凝固过程模拟。

研究动机：传统焓-孔隙度模型（Enthalpy Porosity Model）在模拟PCM凝固时通常假设密度（ρ）和粘度（μ）为常数，但实际过程中盐类PCM（如LiCl）的物性会随温度显著变化，导致数值模拟误差。例如，LiCl盐在凝固时密度变化幅度达5.83×10⁻⁴ kg/m³·K（见公式10），粘度随温度呈指数增长（公式11）。这种物性变化会通过自然对流影响凝固前沿的传热效率，进而影响储能系统设计。

研究目标：
1. 开发一种结合温度依赖性ρ(T)和μ(T)的改进焓-孔隙度模型；
2. 量化物性变化对LiCl盐凝固时间（ts）和凝固速率（ξ）的影响；
3. 对比传统常数物性模型的模拟偏差，验证改进模型的必要性。

研究方法与流程

1. 数学模型构建

研究采用三组控制方程模拟凝固过程：
- 连续性方程（公式1）：修正为包含ρ(T)的瞬态项，以反映密度变化对质量守恒的影响；
- 动量方程（公式2）：引入温度依赖性粘度μ(T)和糊状区阻力（Mushy Force, 𝐹⃗mush，公式3），其中糊状区常数Amush设为10⁶，ε=0.001防止除零错误；
- 能量方程（公式4-7）：通过总焓h（显热+潜热）追踪相变过程，其中潜热ΔL采用迭代更新算法（公式6），液相分数φl通过ΔL与恒定潜热L的比值计算（公式7）。

2. 计算域与边界条件

几何模型：采用同心圆管结构（图3），外径56.15 mm，内径24.13 mm，长度500 mm，模拟壳管式LHTES中LiCl盐的凝固。
边界条件：
- 外壁绝热（公式12），内壁恒温706.4 K（低于LiCl熔点883 K，公式17）；
- 无滑移条件（公式13-16）模拟管壁对PCM流动的抑制；
- 初始温度905.075 K（高于熔点）确保全液相状态（公式18-19）。

3. 数值求解与验证

• 网格划分：结构化六面体网格（623,000单元，平均偏斜度0.018）；
  
• 求解器设置：瞬态模拟总时长3000 s，时间步长1 s；
  
• 对比方案：分别运行温度依赖性物性（ρ(T)/μ(T)）和常数物性（ρ=1502 kg/m³，μ=0.001487 kg/m·s）两组模型。
  

主要研究结果

1. 凝固时间（ts）的物性依赖性

• 温度依赖性模型：凝固完成时间ts,dep=2360 s（图5），比常数物性模型（ts,cons=2580 s）快8.5%（公式20）；
  
• 机理分析：ρ(T)导致固相密度更高，加速晶体下沉（重力方向）和糊状区上移（反重力方向），缩短成核时间；μ(T)增长抑制液相流动，减少潜热耗散路径。
  

2. 凝固速率（ξ）的动态特征

• 三阶段变化（图6）：
  
  • 初始阶段（t<1440 s）：ξ下降，因糊状区覆盖全域导致热阻增大；
    
  • 中期（1440–2160 s）：ξ上升，因固相集中底部形成定向热传导通道；
    
  • 末期（t>2160 s）：ξ再次下降，仅剩薄层糊状区需缓慢凝固。
    
• 物性影响对比：ξ趋势在两种模型中相似，表明ρ(T)/μ(T)对速率动态影响有限。
  

3. 相分布可视化（图7）

• 固相始终从内壁（HTF侧）向外生长，证实热量单向传递；
  
• 粘度上升导致LiCl颗粒运动受限，形成均匀的液相分数分布。
  

研究结论与价值

科学价值

1. 方法创新：首次将温度依赖性ρ(T)/μ(T)整合至焓-孔隙度模型，为盐类PCM模拟提供高精度工具；
   
2. 发现验证：8.5%的凝固时间偏差证实忽略物性变化会导致显著误差，支持改进模型的必要性；
   
3. 机理解释：揭示了凝固速率三阶段变化的流体力学成因，补充了糊状区动态理论。
   

应用价值

1. 储能系统设计：精确预测凝固时间可优化LHTES充放电周期，提升光热电站效率；
   
2. 成本节约：替代实验模拟节省约30%研发成本（参考论文对比实验数据[7][8]）。
   

研究亮点

1. 跨尺度建模：通过μ(T)关联微观粒子运动与宏观相分布；
   
2. 工业导向参数：选用LiCl盐（熔点883 K，潜热470 kJ/kg）直接匹配CST电站需求；
   
3. 开源价值：模型参数（如Amush=10⁶）为后续研究提供基准。
   

其他发现

• Boussinesq近似局限性：常数物性模型采用该近似（表1，热膨胀系数0.000287 1/K）会低估自然对流强度，导致ts偏差；
  
• 网格独立性验证：通过652,000节点确保结果收敛（表2），但未开展网格敏感性分析，未来可补充。