相变蓄热水平套管内凝固过程的数值模拟

李启宇等

摘 要：该文针对相变蓄热水平套管相变过程，考虑相变区内的自然对流效应，利用计算流体力学软件Fluent软件内的凝固/融化模型对套管内十八烷相变材料进行模拟，得到了不同时刻下套管内传热流体与相变材料耦合问题的温度场、流速场的变化规律。结论表明凝固过程开始阶段，对流换热对换热的影响十分强烈，不能忽略不计。研究结果对蓄热套管在工程实际中的应用具有一定的参考价值。

关键词：相变蓄热 凝固 自然对流 十八烷 数值模拟

中图分类号：TB34 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2014）01（c）-0016-03

蓄能技术可以缓减能量在供求时间、地点、强度上的不匹配，是一项合理利用能源并减轻环境污染的有效方法，也是广义热能系统优化运行的重要手段[1]。相变蓄热技术利用相变材料在发生相变过程中将暂时不用或多余的热能通过蓄热材料储存起来，需要时再利用，具有蓄能量高、温度稳定、易与运行系统相匹配、易控制等特点。近年来，相变蓄热系统逐渐广泛地应用于太阳能热利用、余热回收、空调采暖等节能领域，相变蓄热装置的研究也越来越重要。

相变传热过程包括了相的变化和热传导的两个传热过程，是一个复杂的传热过程，在数学模型上几乎都采用近似解和数值解[2]。康艳兵[3]等人对同心套管相变蓄热器建立了一个简便的传热模型，研究了相变材料流体温度和相变界面随时间和轴向位置的变化规律；田怀璋[4]等人考虑自然对流对相变换热的影响，与硬脂酸固液相变实验的比较表明了自然对流对相变传热的影响不可忽略。结果表明当考虑液相部分存在对流效应和相变温度是一个范围时，相比只考虑导热得到的解析解与实验结果更吻合。鉴于此，该文考虑相变过程对流换热的影响，利用Fluent软件模拟水平套管内传热流体与相变材料的换热过程。

1 物理模型以及相变材料的选择

1.1 相变材料的选取

本文选用正十六烷作为相变材料[5]，其物性参数如表1所示。

1.2 计算区域及网格划分

由于水平套管装置沿轴向对称，假设轴向同一位置上的温度分布只与径向半径有关；相变网格的划分，取环套管的一个截面，用Quad四边形元素划分，Type，选用Map映射成结构化网格。内管的外径为dn=10 mm，外径为do=18 mm。对PCM环套管划分的间隔尺寸取为0.4 mm，如图1所示。

1.3 计算参数的设置

内管为恒温边界条件，套管外壁为绝热面，凝固过程内管温度为273K。打开Solidification/Melting模型并定义套管内相变材料初始温度293K。设置如下表2所示。

3 模拟结果及分析

凝结过程进行10 s、100 s、200 s、300 s时计算区域内的温度场和速度场如图2～图5所示。

图2～图4分别为凝固开始以后经过10 s、100 s和200 s时候套管内的凝固过程的温度场分布图。由图2可以看出凝固开始阶段（10 s），此时由于套管内相变材料的液相率较大，由于相变密度差造成的压力分布不平衡以及液相部分存在浮升力的作用，导致液态相变材科沿着内管开始流动速度较大，所以对流对传热过程影响较大，热量的传递方式以对流传热为主。随着凝固过程的进行，相变材料固相率的增加，在凝固过程中由于液相部分流动速度越来越小，此时对流换热的影响也越来越小，热量的传递过程主要是以导热为主。

从图2～图4中温度场变化规律可以看出，水平套管中的相变过程近似于径向对称的变化过程，重力效应致使固相在下部开始堆积，造成上下部分凝固部队称，由于浮升力作用导致液相只存在与套管上部。图3与图4时刻对比可知，凝固过程在后期凝固过程很慢，这是由于有效传热面积的减小，固态工质厚度增加至使传热热阻不断增大，液相的相变材料流动变慢所造成的。

4 结语

该文采用Fluent软件模拟水平套管相变蓄热凝固过程，考虑了相变材料由于固液材料的密度差及体积变化而引起的自然对流，模拟得出以下结论：

（1）模拟结果表明，在凝固过程开始阶段自然对流对传热影响很大，随着凝固的进行，固体厚度增加使传热热阻增大，降低了凝固速度以及对流效果，而使得后期凝固速度减慢。

（2）凝固过程中由于浮升力作用导致内管径向上下分布不均，但几乎是呈轴向对称分布。

（3）模拟后可以将套管内的蓄热材料与流体传热过程中的温度场、流速场变化进行可视化处理，为进一步研究这一类蓄热装置中更加复杂的传热及流动现象提供了有效的研究手段。

参考文献

[1] 崔海亭，杨锋.蓄热技术及其应用[M].北京：化学工业出版社，2004.

[2] 程文龙，陈则韶，陈美英，等.单套管相变蓄冷器凝固过程一种简单解法及其传热特性[J].工程热物理学报，1996（17）：111-114.

[3] 康艳兵，张寅平.相变蓄热同心套管传热模型和性能分析[J].太阳能学报，1999（1）：1-10.

[4] 陈林辉，田怀璋.第二类边界条件下硬脂酸固液相变蓄能研究[J].西安交通大学报，2004，38（11）：1128-1131.

[5] P. Zhang *， Z.W. Ma，R.Z.Wang. An overview of phase change material slurries： MPCS and CHS[J].Renewable and Sustainable Energy Reviews，2010，14：598-614.

[6] Fluent Co.Fluent 6.1 tutorial guide[EB/OL].（2009-05-12）.http：//www.Cadfamily.corn/downinfo/226123.ht.endprint

摘 要：该文针对相变蓄热水平套管相变过程，考虑相变区内的自然对流效应，利用计算流体力学软件Fluent软件内的凝固/融化模型对套管内十八烷相变材料进行模拟，得到了不同时刻下套管内传热流体与相变材料耦合问题的温度场、流速场的变化规律。结论表明凝固过程开始阶段，对流换热对换热的影响十分强烈，不能忽略不计。研究结果对蓄热套管在工程实际中的应用具有一定的参考价值。

关键词：相变蓄热 凝固 自然对流 十八烷 数值模拟

中图分类号：TB34 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2014）01（c）-0016-03

蓄能技术可以缓减能量在供求时间、地点、强度上的不匹配，是一项合理利用能源并减轻环境污染的有效方法，也是广义热能系统优化运行的重要手段[1]。相变蓄热技术利用相变材料在发生相变过程中将暂时不用或多余的热能通过蓄热材料储存起来，需要时再利用，具有蓄能量高、温度稳定、易与运行系统相匹配、易控制等特点。近年来，相变蓄热系统逐渐广泛地应用于太阳能热利用、余热回收、空调采暖等节能领域，相变蓄热装置的研究也越来越重要。

相变传热过程包括了相的变化和热传导的两个传热过程，是一个复杂的传热过程，在数学模型上几乎都采用近似解和数值解[2]。康艳兵[3]等人对同心套管相变蓄热器建立了一个简便的传热模型，研究了相变材料流体温度和相变界面随时间和轴向位置的变化规律；田怀璋[4]等人考虑自然对流对相变换热的影响，与硬脂酸固液相变实验的比较表明了自然对流对相变传热的影响不可忽略。结果表明当考虑液相部分存在对流效应和相变温度是一个范围时，相比只考虑导热得到的解析解与实验结果更吻合。鉴于此，该文考虑相变过程对流换热的影响，利用Fluent软件模拟水平套管内传热流体与相变材料的换热过程。

1 物理模型以及相变材料的选择

1.1 相变材料的选取

本文选用正十六烷作为相变材料[5]，其物性参数如表1所示。

1.2 计算区域及网格划分

由于水平套管装置沿轴向对称，假设轴向同一位置上的温度分布只与径向半径有关；相变网格的划分，取环套管的一个截面，用Quad四边形元素划分，Type，选用Map映射成结构化网格。内管的外径为dn=10 mm，外径为do=18 mm。对PCM环套管划分的间隔尺寸取为0.4 mm，如图1所示。

1.3 计算参数的设置

内管为恒温边界条件，套管外壁为绝热面，凝固过程内管温度为273K。打开Solidification/Melting模型并定义套管内相变材料初始温度293K。设置如下表2所示。

3 模拟结果及分析

凝结过程进行10 s、100 s、200 s、300 s时计算区域内的温度场和速度场如图2～图5所示。

图2～图4分别为凝固开始以后经过10 s、100 s和200 s时候套管内的凝固过程的温度场分布图。由图2可以看出凝固开始阶段（10 s），此时由于套管内相变材料的液相率较大，由于相变密度差造成的压力分布不平衡以及液相部分存在浮升力的作用，导致液态相变材科沿着内管开始流动速度较大，所以对流对传热过程影响较大，热量的传递方式以对流传热为主。随着凝固过程的进行，相变材料固相率的增加，在凝固过程中由于液相部分流动速度越来越小，此时对流换热的影响也越来越小，热量的传递过程主要是以导热为主。

从图2～图4中温度场变化规律可以看出，水平套管中的相变过程近似于径向对称的变化过程，重力效应致使固相在下部开始堆积，造成上下部分凝固部队称，由于浮升力作用导致液相只存在与套管上部。图3与图4时刻对比可知，凝固过程在后期凝固过程很慢，这是由于有效传热面积的减小，固态工质厚度增加至使传热热阻不断增大，液相的相变材料流动变慢所造成的。

4 结语

该文采用Fluent软件模拟水平套管相变蓄热凝固过程，考虑了相变材料由于固液材料的密度差及体积变化而引起的自然对流，模拟得出以下结论：

（1）模拟结果表明，在凝固过程开始阶段自然对流对传热影响很大，随着凝固的进行，固体厚度增加使传热热阻增大，降低了凝固速度以及对流效果，而使得后期凝固速度减慢。

（2）凝固过程中由于浮升力作用导致内管径向上下分布不均，但几乎是呈轴向对称分布。

（3）模拟后可以将套管内的蓄热材料与流体传热过程中的温度场、流速场变化进行可视化处理，为进一步研究这一类蓄热装置中更加复杂的传热及流动现象提供了有效的研究手段。

参考文献

[1] 崔海亭，杨锋.蓄热技术及其应用[M].北京：化学工业出版社，2004.

[2] 程文龙，陈则韶，陈美英，等.单套管相变蓄冷器凝固过程一种简单解法及其传热特性[J].工程热物理学报，1996（17）：111-114.

[3] 康艳兵，张寅平.相变蓄热同心套管传热模型和性能分析[J].太阳能学报，1999（1）：1-10.

[4] 陈林辉，田怀璋.第二类边界条件下硬脂酸固液相变蓄能研究[J].西安交通大学报，2004，38（11）：1128-1131.

[5] P. Zhang *， Z.W. Ma，R.Z.Wang. An overview of phase change material slurries： MPCS and CHS[J].Renewable and Sustainable Energy Reviews，2010，14：598-614.

[6] Fluent Co.Fluent 6.1 tutorial guide[EB/OL].（2009-05-12）.http：//www.Cadfamily.corn/downinfo/226123.ht.endprint

摘 要：该文针对相变蓄热水平套管相变过程，考虑相变区内的自然对流效应，利用计算流体力学软件Fluent软件内的凝固/融化模型对套管内十八烷相变材料进行模拟，得到了不同时刻下套管内传热流体与相变材料耦合问题的温度场、流速场的变化规律。结论表明凝固过程开始阶段，对流换热对换热的影响十分强烈，不能忽略不计。研究结果对蓄热套管在工程实际中的应用具有一定的参考价值。

关键词：相变蓄热 凝固 自然对流 十八烷 数值模拟

中图分类号：TB34 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2014）01（c）-0016-03

蓄能技术可以缓减能量在供求时间、地点、强度上的不匹配，是一项合理利用能源并减轻环境污染的有效方法，也是广义热能系统优化运行的重要手段[1]。相变蓄热技术利用相变材料在发生相变过程中将暂时不用或多余的热能通过蓄热材料储存起来，需要时再利用，具有蓄能量高、温度稳定、易与运行系统相匹配、易控制等特点。近年来，相变蓄热系统逐渐广泛地应用于太阳能热利用、余热回收、空调采暖等节能领域，相变蓄热装置的研究也越来越重要。

相变传热过程包括了相的变化和热传导的两个传热过程，是一个复杂的传热过程，在数学模型上几乎都采用近似解和数值解[2]。康艳兵[3]等人对同心套管相变蓄热器建立了一个简便的传热模型，研究了相变材料流体温度和相变界面随时间和轴向位置的变化规律；田怀璋[4]等人考虑自然对流对相变换热的影响，与硬脂酸固液相变实验的比较表明了自然对流对相变传热的影响不可忽略。结果表明当考虑液相部分存在对流效应和相变温度是一个范围时，相比只考虑导热得到的解析解与实验结果更吻合。鉴于此，该文考虑相变过程对流换热的影响，利用Fluent软件模拟水平套管内传热流体与相变材料的换热过程。

1 物理模型以及相变材料的选择

1.1 相变材料的选取

本文选用正十六烷作为相变材料[5]，其物性参数如表1所示。

1.2 计算区域及网格划分

由于水平套管装置沿轴向对称，假设轴向同一位置上的温度分布只与径向半径有关；相变网格的划分，取环套管的一个截面，用Quad四边形元素划分，Type，选用Map映射成结构化网格。内管的外径为dn=10 mm，外径为do=18 mm。对PCM环套管划分的间隔尺寸取为0.4 mm，如图1所示。

1.3 计算参数的设置

内管为恒温边界条件，套管外壁为绝热面，凝固过程内管温度为273K。打开Solidification/Melting模型并定义套管内相变材料初始温度293K。设置如下表2所示。

3 模拟结果及分析

凝结过程进行10 s、100 s、200 s、300 s时计算区域内的温度场和速度场如图2～图5所示。

图2～图4分别为凝固开始以后经过10 s、100 s和200 s时候套管内的凝固过程的温度场分布图。由图2可以看出凝固开始阶段（10 s），此时由于套管内相变材料的液相率较大，由于相变密度差造成的压力分布不平衡以及液相部分存在浮升力的作用，导致液态相变材科沿着内管开始流动速度较大，所以对流对传热过程影响较大，热量的传递方式以对流传热为主。随着凝固过程的进行，相变材料固相率的增加，在凝固过程中由于液相部分流动速度越来越小，此时对流换热的影响也越来越小，热量的传递过程主要是以导热为主。

从图2～图4中温度场变化规律可以看出，水平套管中的相变过程近似于径向对称的变化过程，重力效应致使固相在下部开始堆积，造成上下部分凝固部队称，由于浮升力作用导致液相只存在与套管上部。图3与图4时刻对比可知，凝固过程在后期凝固过程很慢，这是由于有效传热面积的减小，固态工质厚度增加至使传热热阻不断增大，液相的相变材料流动变慢所造成的。

4 结语

该文采用Fluent软件模拟水平套管相变蓄热凝固过程，考虑了相变材料由于固液材料的密度差及体积变化而引起的自然对流，模拟得出以下结论：

（1）模拟结果表明，在凝固过程开始阶段自然对流对传热影响很大，随着凝固的进行，固体厚度增加使传热热阻增大，降低了凝固速度以及对流效果，而使得后期凝固速度减慢。

（2）凝固过程中由于浮升力作用导致内管径向上下分布不均，但几乎是呈轴向对称分布。

（3）模拟后可以将套管内的蓄热材料与流体传热过程中的温度场、流速场变化进行可视化处理，为进一步研究这一类蓄热装置中更加复杂的传热及流动现象提供了有效的研究手段。

参考文献

[1] 崔海亭，杨锋.蓄热技术及其应用[M].北京：化学工业出版社，2004.

[2] 程文龙，陈则韶，陈美英，等.单套管相变蓄冷器凝固过程一种简单解法及其传热特性[J].工程热物理学报，1996（17）：111-114.

[3] 康艳兵，张寅平.相变蓄热同心套管传热模型和性能分析[J].太阳能学报，1999（1）：1-10.

[4] 陈林辉，田怀璋.第二类边界条件下硬脂酸固液相变蓄能研究[J].西安交通大学报，2004，38（11）：1128-1131.

[5] P. Zhang *， Z.W. Ma，R.Z.Wang. An overview of phase change material slurries： MPCS and CHS[J].Renewable and Sustainable Energy Reviews，2010，14：598-614.

[6] Fluent Co.Fluent 6.1 tutorial guide[EB/OL].（2009-05-12）.http：//www.Cadfamily.corn/downinfo/226123.ht.endprint