相变储能-毛细嵌管单元动态传热特性研究

介于焓-多孔介质法在相变蓄热研究领域较为成熟,非常适用于相对复杂的相变过程所呈现出非线性物理场的计算。因此采用焓-多孔介质法,通过改变换热流体(水)的进口温度和流速对毛细嵌管单元动态传热性能的影响,观察相变区域的多孔度-液相率的大小与嵌管特定位置的温度情况,并通过实验所测数据进行对比验证。最后得出进口温度为283 K、流速为0.5 m/s时各截面的液相分数最小,对比3种进口工况发现,283 K、288 K、293 K分别在4200 s、4800 s、5750 s达到换热稳定状态,283 K工况相对于288 K、293 K工况分别节省12.5%和26.9%的换热时间。进一步研究嵌管结构方式(直管、螺旋管、U型管)对系统循环换热效率的影响,发现相同进口状态下螺旋管使相变材料的换热效果最佳。该结论可为相变蓄热领域的研究奠定基础和提供参考。

水升华器升华模式理论分析与数值仿真

针对水升华器在实际航天工程应用中的工作特性,以升华模式下的水升华器为研究对象,应用一维稳态导热、自由分子流动等理论模型,对水升华器内部热质平衡进行分析,得到了升华模式下的冰层厚度、升华温度等理论计算结果,并推导得到升华模式最大热载荷的无量纲特性曲线。利用商用软件ANSYS Fluent进行数值仿真,基于焓-多孔模型描述了水在水升华器给水腔内的结冰过程,求解了不同孔度、孔径等设计参数下水升华器的工作特性,将仿真结果与理论计算对比,发现两者具有较好的一致性。建立的无量纲特性曲线和数值算法对预测不同设计工况下水升华器升华模式的工作特性具有指导意义。

纳米复合相变材料熔化过程数值模拟

相变储能技术在航空航天等领域具有广泛的应用前景,但是相变材料导热性能差制约了其工程化应用。高导热的纳米材料能够有效提高相变材料的导热性能。为了对其相变现象进行更精细的模拟分析,基于Maxwell-Garnett等效介质理论(EMT)建立3种具有代表性结构的纳米复合相变材料详细物性参数,将流体体积(VOF)模型与焓-多孔介质模型相耦合,在考虑相变材料体积膨胀的情况下,数值模拟了纯石蜡、添加不同体积组分金刚石纳米粒子(ND)、单壁碳纳米管(SWCNT)和石墨烯纳米片(Gn P)的纳米复合相变材料在定温边界条件下的固液相变过程。结果表明:相变材料熔化过程中对流效应主要分布在临近固液相界面、临近加热壁面及临近气液两相交界面这3个区域; 3种纳米粒子中Gn P的导热强化效果最佳,相比纯石蜡,添加体积分数为3%的Gn P纳米复合相变材料固相导热系数提高了486%,相变材料的熔化时间缩短了69%;升高壁面温度能够有效缩短复合相变材料的熔化时间。

具有自由表面的固-液相变的数值模拟与实验研究

通过对相变现象的分析,建立了VOF(Volume-of-Fluid)模型与焓?多孔介质模型的耦合计算模型,利用该模型模拟出石蜡相变过程中的相互关联的多种物理现象,其中包括固体石蜡中的导热、液体石蜡中的导热与自然对流、相界面移动以及相变材料在相变过程中的体积变化等。计算结果表明,石蜡内部的自然对流在石蜡的融化过程中起到非常重要的作用。在自然对流的旺盛期,石蜡的最大融化速率为每秒0.002 005%;同时,融化过程对自然对流也有影响,液体石蜡中的流速在融化150 s左右达到最大值(6.08×10-3m/s)。石蜡在整个融化过程中体积膨胀了近10%。利用石蜡相变过程的可视化实验来验证数值模拟的准确性,结果表明,该数学模型可以较真实地、较完整地反映出石蜡相变过程中的各方面特征。