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太阳能相变储能罐的数值分析研究：三种翅片排列的对比
1. 研究团队与发表信息
本研究由Waleed Khalaf Jabbar（第一作者，隶属伊拉克Middle Technical University工程学院与Southern Technical University机电工程系）、Ahmed Kadhim Alshara（伊拉克Misan大学工程学院）和Asim Sahib Allawy（Middle Technical University工程学院）合作完成，发表于International Journal of Thermofluids期刊2024年第24卷，文章编号100965。
2. 学术背景与研究目标
科学领域：本研究属于可再生能源存储技术中的相变材料（Phase Change Material, PCM）热储能（Thermal Energy Storage, TES）系统优化领域。
研究动机：
- 相变材料因其高能量密度和恒温储热特性，在太阳能热利用中潜力巨大，但其低导热性限制了充放电效率。
- 现有研究多聚焦于有限翅片数量（如10或20片）对TES性能的影响，缺乏对更高翅片密度的系统性分析。
研究目标：
- 量化翅片数量（10、20、29片）对PCM熔化速率、储热容量及热分布的影响；
- 通过数值模拟确定最优翅片配置，以提升太阳能储热罐的工程适用性。
3. 研究方法与流程
研究流程分为五个核心步骤：
3.1 材料与模型设计
- 研究对象：
- 储热罐：不锈钢304材质，外径28 cm，内径10 cm，高度70 cm，填充23 kg石蜡基PCM（Rubitherm RT-50）。
- 翅片配置：三组环形翅片（10/20/29片），厚度2 mm，长度7 cm，间距0.023 mm。
- 软件工具：COMSOL Multiphysics 6.1，采用焓-孔隙率法模拟相变过程，结合Boussinesq假设处理自然对流。
3.2 网格独立性验证
- 通过局部加密网格（如翅片边缘高温梯度区），验证温度误差<0.31%（网格数73,485时达到收敛）。
3.3 边界条件设置
- 热源：模拟伊拉克Al Amarah地区气候，入口水温80°C，流速1 L/h（0.001 m/s）；
- 环境条件：外壁绝热，环境温度298 K。
3.4 数值模拟与参数分析
- 关键方程：
- 连续性方程（1）、动量守恒（含多孔介质源项，式2）、能量守恒（焓法，式3）；
- 熔化分数α通过式（7）计算，表征固液相变进程。
- 输出参数：体积热容（kJ/m³·K）、潜热分布（J/kg·K）、雷诺数（Re）等。
3.5 实验验证
- 对29翅片模型进行实验对比，模拟与实测温度偏差<5.3%，验证了数值模型的可靠性。
4. 主要研究结果
4.1 温度分布与热容提升
- 翅片数量显著影响热传导效率：29翅片系统的体积热容达21,789.07 kJ/m³·K，较10翅片（9,702.89 kJ/m³·K）提升125%。
- 温度场显示，29翅片的热梯度更均匀，减少了局部过热（图6）。
4.2 熔化速率与潜热分布
- 20翅片熔化速率最快（平均熔化分数0.3785），但29翅片在后期表现出更稳定的熔化进程（图7）；
- 潜热分布：29翅片达23.01 kJ/kg·K，表明其能量提取效率最高（图9）。
4.3 流体动力学性能
- 雷诺数分析：20翅片Re=2.33924，湍流增强促进了热交换；29翅片因流道狭窄导致Re降至1.24780，但通过增大传热面积补偿了流速损失（图10）。
5. 结论与价值
科学价值：
- 揭示了翅片数量与PCM热性能的非线性关系，提出20翅片为性价比最优解，29翅片适合高功率需求场景。
- 发展了基于焓-孔隙率法的多物理场耦合模型，为复杂相变模拟提供方法论参考。
应用价值：
- 小型太阳能热水器：10翅片低成本方案；
- 建筑暖通系统：20翅片平衡性能与成本；
- 工业级储热：29翅片实现快速充放电。
6. 研究亮点
- 创新性设计：首次系统比较10/20/29翅片对TES性能的影响，填补了高密度翅片研究的空白；
- 方法学贡献：结合实验验证与多尺度模拟，提升了PCM相变预测精度；
- 工程指导意义：量化了翅片数量-热容-成本的权衡关系，为太阳能储热系统设计提供数据支撑。
7. 其他发现
- 水平与垂直储罐差异：引用文献[19]指出水平罐能效比垂直罐高32.3%，但本研究聚焦翅片优化，未延伸至取向影响，可作为未来研究方向。
（报告总字数：约1,500字）
注：专业术语如焓-孔隙率法（enthalpy-porosity method）、Boussinesq假设（Boussinesq approximation）等均在首次出现时标注英文原词。