COMSOL 浅谈微观尺度下填充床潜热储热系统（二维、三维）
COMSOL 浅谈微观尺度下填充床潜热储热系统
（二维、三维）
作者：极度喜欢上课
引言
储热技术通常可分为显热储热、相变储热和热化学储热三种，其中热能储存（TES）装置是一种利用储热技术收集太阳能、地热或废热源热能的装置。最简单的TES装置是利用水作为储热介质的显热储存（SHS）装置，常用于居民住宅中，通过显热储热的方式收集太阳能。利用相变材料（相变储热技术）设计的潜热储存（LHS）装置，可进一步增加TES装置的热容量，填充床潜热储热系统就是一种典型的LHS装置。COMSOL官网中有利用“均质法”对填充床潜热储热系统进行分析的案例——填充床潜热储热系统[1]，但是 “均质法”是一种在宏观尺度下对多孔介质进行分析的理想化方法，“均质法”无法对微观结构进行完整刻画，从而无法在微观尺度下完整捕捉相变材的变化过程以及流体的流动过程，也就无法对填充床潜热储热系统进行精细化分析。“异质法”是一种在微观尺度下对多孔介质进行分析的方法，利用“异质法”进行分析的主要难点在于需要对多孔介质的微观结构进行准确的描绘，填充床潜热储热系统中相变材料的分布方式通常都是有规律的，其微观几何结构是能较为容易被绘制的，这使得利用“异质法”对填充床潜热储热系统进行分析成为了可能。
结合具体的仿真和操作实际，利用“异质法”，在微观尺度下，本文针对刘兰兰等人[2]于2022年所做模拟中的一组相变微胶囊外径尺寸为2mm的工况进行了完整复现，所得到的结果与刘兰兰等人[2]的模拟结果高度一致。为了对填充床潜热储热系统进行更深入的研究，本文基于所复现的二维案例，对三维的储热单元物理模型也进行了数值分析。
论文复现
所复现的二维填充床潜热储热系统储热单元几何模型如图1所示，其中几何模型宽12.4mm、高14.9mm，相变胶囊外径2mm、内径1.6mm，每颗相变胶囊圆心间距2.5mm，靠近壁面相变胶囊圆心距离四周壁面0.2mm。
相变胶囊包裹的相变材料为石蜡，相变胶囊的壁面为SiO2，传热流体（HTF）为水。这三种材料的物性参数如图2所示。在仿真中，系统整体的初始温度为293.15K；HTF从上端流入下端流出，速度为0.005米每秒，温度为343.15K；左右两端为对称壁面。如图3所示，为不同时刻计算域内温度的云图。高温HTF从上端流入，由于相变微胶囊对流体的阻碍，HTF从孔隙中流过。相变微胶囊在HTF的加热下，从外向内温度升高，大约在第30秒的时候计算域内的温度基本达到稳定。如图4所示为计算域第30秒时刻的速度云图，可以看到流体的最大速度集中在相变微胶囊的横向间隙处，和图3温度的变化历程对应。如图5所示，展示了不同时刻计算域内相变微胶囊中石蜡的融化状态。与图3温度云图中相变微胶囊温度从外向内升高一致，相变微胶囊内的石蜡材料也是从外向内开始发生相变，大约在第30秒的时候计算域内的石蜡已全部融化。如图6所示，展示了计算域内相PCM液相率随时间的变化，其中（a）为参考文献的结果，（b）为本文复现的结果；如图7所示，展示了计算域内相变微胶囊的平均温度随时间的变化，其中（a）为参考文献的结果，（b）为本文复现的结果；如图8所示，展示了计算域内相变微胶囊以及PCM的有效导热系数随时间的变化其中（a）为参考文献的结果，（b）为本文复现的结果；如图9所示，展示了计算域内PCM热通量随时间的变化其中（a）为参考文献的结果，（b）为本文复现的结果。通过对比可以看到结果高度一致！二维模型本质上是三维模型简化的结果，三维模型有X、Y、Z三个维度，当其中某一个维度可以被忽略的时候，就可以将三维模型简化为二维模型，二维模型对应的三维模型通常是“拉伸体”。以上文所复现的二维模型为例，如图10所示，二维模型更对应的应该是（a）的情况。下文就这两种结构的三维储热单元分别进行模拟（所采用的边界条件和所复现的二维模型一致。），并给出其对应的结果，各位同学可根据具体的结果自行判断、理解、分析二维模型和三维模型的对应关系以及三维储热单元的仿真特点。三维储热单元模型（a）所计算出来的结果如图11-图16所示，可以看到和复现的二维模型所计算出来的结果高度一致！图15 相变微胶囊及PCM有效导热系数随时间变化图三维储热单元模型（b）所计算出来的结果如图17-图22所示，可以看到相关结果的变化趋势符合实际情况，但是无法和复现的二维模型所计算出来的结果完全对应。图21 相变微胶囊及PCM有效导热系数随时间变化图本文对刘兰兰等人[2]模拟中的一组相变微胶囊外径尺寸为2mm的工况进行了完整复现，得到的结果与刘兰兰等人得到的结果高度一致。为了对填充床潜热储热系统进行更深入的研究，本文基于所复现的二维案例，对三维的储热单元物理模型也进行了数值分析，所得到的结果表明三维储热单元模型（a）所得到的结果更对应所复现的二维模型。[1] http://cn.comsol.com/model/packed-bed-latent-heat-storage-76181[2]刘兰兰,雷广平,吕鹏飞.孔隙尺度相变微胶囊的储热特性研究[J].当代化工,2022,51(09):2023-2029.DOI:10.13840/j.cnki.cn21-1457/tq.2022.09.044.
