学术研究报告：铝翅片排列对双管换热器中月桂酸相变材料热行为的CFD模拟研究

作者及发表信息
本研究由Weidong Liu（广州南洋理工职业学院智能工程学院）、Majid Mokhtari（伊朗伊斯兰阿扎德大学Khomeinishahr分校机械工程系）等多名学者合作完成，发表于Case Studies in Thermal Engineering期刊2024年第64卷，文章编号105469。

学术背景
研究领域与动机
相变材料（Phase Change Material, PCM）因其高能量密度和等温储热特性，在建筑节能、电子冷却等领域具有广泛应用潜力。然而，PCM的低导热性限制了其热传递效率。本研究聚焦于双管换热器中铝翅片排列方式对月桂酸（Lauric Acid）PCM熔化过程的影响，旨在通过计算流体动力学（Computational Fluid Dynamics, CFD）模拟优化翅片设计，缩短熔化时间并提升热效率。

背景知识
1. PCM特性：月桂酸作为有机PCM，熔点44–46°C，具有高潜热（187.21 kJ/kg）和生物可降解性，但导热系数低（0.14–0.16 W/m·K）。
2. 翅片作用：铜/铝翅片通过扩展传热面积增强PCM的热传导，但翅片角度和布局对自然对流和熔化均匀性有显著影响。
3. 研究空白：既往研究多通过增加翅片数量或面积提升性能，而本研究首次系统探讨翅片角度排列的独立影响。

研究流程与方法
1. 模型构建与参数设定
- 几何模型：二维双管换热器，内管直径6 mm（铝材质，恒定热流1700 W/m²），外管直径17 mm（铝材质），PCM（月桂酸）填充于两管间。
- 翅片设计：13种翅片布局模型（Model 1–13），均含6片铝翅片，厚度和长度固定，仅角度变化（如Model 5为60°均布，其他含45°、90°等非对称布局）。

2. 数值模拟方法
- CFD软件：采用Ansys Fluent 2021，基于焓-孔隙度法（Enthalpy-Porosity）模拟固液相变，耦合压力-速度方程（SIMPLE算法）。
- 边界条件：外壁自然对流系数7 W/m²·K，环境温度27°C；内壁热流密度恒定。
- 网格与时间步独立性验证：最优网格数25,000，时间步0.1 s，确保计算精度与效率平衡。

3. 验证实验
- 对比Kamkari等（2018）的月桂酸熔化实验数据，误差范围验证模型可靠性（图7）。

主要结果
1. 熔化时间与效率
- Model 5（60°均布翅片）表现最佳：熔化时间仅1818.3秒，较最差模型（Model 4, 1905.4秒）缩短4.8%。
- 温度分布：内壁与PCM最大温差最小（327.34 K vs. 333.55 K），表明热传递均匀性最优（表3）。

2. 相变动力学分析
- 熔化阶段：初始快速升温（300 K→318 K）后，相变区（316.5–321.2 K）温度稳定，潜热吸收主导；完全熔化后温度线性上升至340 K（图9）。
- 热通量变化：初始阶段因热冲击出现峰值热通量，随后随PCM温度升高逐步下降（图12）。

3. 翅片布局影响机制
- 60°均布翅片（Model 5）：促进自然对流涡流均匀分布，减少停滞区，优于90°垂直翅片（阻碍流动）和180°对称翅片（导致层流滞留）。
- 熔化前沿可视化：Model 5在9–27分钟内液态分数（LF）分布最广（图11），证实其高效性。

结论与价值
科学价值
1. 优化设计准则：提出60°均布翅片为双管换热器PCM系统的最优布局，为工程应用提供理论依据。
2. 方法创新：首次通过固定翅片面积仅调整角度，明确几何排列对热性能的独立影响，弥补既往研究空白。

应用价值
- 建筑节能：可集成于墙体或太阳能系统，提升储热效率。
- 电子冷却：适用于高功率设备的热管理，减少过热风险。

研究亮点
1. 新颖性：突破传统“增加翅片数量”的思路，聚焦角度优化，提出低成本解决方案。
2. 方法严谨性：通过13种模型对比、网格/时间步验证及实验数据校准，确保结论可靠性。
3. 跨学科意义：结合材料科学（PCM特性）、流体力学（自然对流）与热工学（换热器设计），推动多领域协同发展。

其他发现
- 热通量负值现象（图12）源于方程定义方向与实际热量传递方向相反，需在工程设计中注意符号修正。

（报告总字数：约1500字）