Comsol冰与水的相变仿真模拟

      相变是物质从一种相转变为另一种相的过程。物质系统中物理、化学性质完全相同，与其他部分具有明显分界面的均匀部分称为相。相变材料在其相变温度附近发生相变，可以释放或吸收大量热量，这一特征可被用于储存能量或控制环境温度目的，在许多领域具有应用价值。

      常压下冰在0℃融化，冰的汽化潜热为335 kJ/kg。能够满足0℃以上的制冷要求。冰冷却时，常借助空气或水作中间介质以吸收被冷却对象的潜热。此时，换热过程发生在水或空气与冰表面之间。被冷却物体所能达到的温度一般比冰的溶解温度高5-10℃。厚度10 cm左右的冰块，其比表面积在25~30 m2之间。为了增大比表面积，可以将冰粉碎成碎冰。水到冰的表面传热系数为116 W/(m2·K)。空气到冰表面的表面传热系数与二者之间的温度差以及空气的运动情况有关。

      相变是广泛存在的，在材料科学、热力工程、冶金工程、化学工业和气象学等领域都涉及各种相变过程。

图1. 新能源相变材料

      在1×1cm2的小盒中储存一块零下5℃的冰块，在盒子底部添加固定热源使内部的冰块进行融化，完成相变过程。通过传热和流体力学模块计算得到的温度场、流体场和冰相组成成分分布。计算模型和材料参数设置如图2和3所示。

图2. 冰水融化相变建模

图3. 材料参数

      图4展示了冰水融化相变计算模型选取的边界热源、热通量、热绝缘、重力和压力约束等物理场边界条件。本模型主要利用固体和流体传热、层流耦合的非等温流计算，详细的物理场及边界条件设置如图4所示，网格剖分及质量分布如图5所示。

图4. 物理场边界条件

图5. 网格分布图

      总计算时间为150s，计算得到的温度场、流体场和冰相组成成分分布如下所示。

图6. 60s和150s时刻温度场分布

图7. 60s和150s时刻流体场分布

图8. 60s和150s时刻冰相组成成分分布

编辑 | 电磁Fo

排版 | 萌乐

审核 | 赵佳乐