基于LBM的多孔介质无机复合相变材料储能特性_崔婷婷.pdf

第 12 卷 第 1 期2023 年 1 月Vol.12 No.1Jan.2023储能科学与技术Energy Storage Science and Technology基于LBM的多孔介质无机复合相变材料储能特性崔婷婷，王燕（南京工业大学机械与动力工程学院，江苏 南京 211816）摘要：为了研究骨架形貌对无机复合相变材料(CPCM)相变储能特性的影响，基于格子玻尔兹曼方法，采用四参数随机生长法(QSGS)构造多孔介质骨架，建立随机分布的多孔介质CPCM相变模型，在此基础上，探究孔隙度()、固相生长核分布概率(Pc)、方向生长概率(Pd)、瑞利数(Ra)对CPCM相变储能特性的影响。结果表明，越小，CPCM熔化时间越短，为0.70时的完全熔化时间相较于为0.90时缩短了23.63%。在相同(0.90)下，Pc增大或Pd减小，都有助于提高CPCM的熔化速度。Ra越大，自然对流强度越大，CPCM所需熔化时间越短，Ra为18000时CPCM所需熔化时间相较于Ra为1000时缩短了41.46%。本工作为研究多孔介质无机CPCM储能特性提供理论依据和参考。关键词：格子玻尔兹曼；多孔介质；四参数随机生长法；相变储能doi：10.19799/ki.2095-4239.2022.0427 中图分类号：TK 02 文献标志码：A 文章编号：2095-4239（2023）01-61-08Energy storage characteristics of porous inorganic composite phase-change materials based on the Lattice Boltzmann MethodCUI Tingting,WANG Yan(School of Mechanical and Power Engineering,Nanjing Tech University,Nanjing 211816,Jiangsu,China)Abstract:The effect of skeleton morphology on the energy storage characteristics of inorganic composite phase change materials(CPCM)was studied.The quartet structure generation set was used to construct the porous media based on the Lattice Boltzmann Method.The CPCM phase transformation model with a randomly distributed porous medium was developed in line with this.On this basis,the influences of porosity(),solid growth core distribution probability(Pc),directional growth probability(Pd),and Rayleigh number(Ra)on CPCM energy storage characteristics were studied.The results show that the melting time of CPCM decreases as decreases.The total melting time of CPCM when is 0.70 was 23.63%less than that of 0.90.The increasing of the Pc and the decreasing of the Pd can improve the melting rate of CPCM under the same (0.90).The total melting time of CPCM decreases with the increase of Ra because the increase of Ra increases the intensity of natural convection.And the total melting time of CPCM when Ra is 18000 is 41.46%less than that of 1000.This study offers a theoretical foundation and a reference point for the energy storage properties of inorganic porous medium CPCM.Keywords:Lattice Boltzmann Method;porous medium;quartet structure generation set;phase change energy storage储能材料与器件收稿日期：2022-07-29；修改稿日期：2022-08-30。基金项目：江苏省自然科学基金面上项目（BK20201364），江苏省高校自然科学研究重大项目（A类）（18KJA480003）。第一作者：崔婷婷（1995），女，硕士研究生，研究方向为相变储能，E-mail：；通讯作者：王燕，副教授，研究方向为高效换热和储能技术，E-mail：。2023 年第 12 卷储能科学与技术随着社会进步和现代工业的不断发展，能源短缺和环境污染问题开始不断显现。作为巴黎协议的签署国，中国是世界上最大的二氧化碳排放国，目标是在2030年之前达到二氧化碳排放量的峰值，并力争2060年实现碳中和1。相变储能技术是提高能源利用率和节能减排的重要技术手段2，相变材料(PCM)具备相变潜热大，储热效率高等优点，其中无机水合盐具有热物理性质优异3、来源广泛和价格低廉等优点被广泛应用于太阳能储热、绿色建筑、电子设备热管理等领域4。PCM具有较低的导热系数，目前提高导热系数的方法主要有增加肋片5、添加多孔介质6、纳米颗粒7等，其中多孔介质具有较高的导热系数和较大的传热比表面积，可以显著提高PCM导热性能和整体传热性能，从而强化传热，因此国内外不少学者对其进行了研究。田伟等8、Li 等9和 Wang等10均通过实验对添加金属泡沫的复合相变材料(CPCM)蓄热特性进行探究，结果表明，添加金属泡沫明显提高了CPCM传热速率，缩短了CPCM熔化时间。在数值模拟方面，格子玻尔兹曼方法(LBM)在含多孔介质的相变储能特性研究分为表征体单元(REV)尺度和孔隙尺度。在 REV 尺度上，Liu等11建立了多孔介质中单相和固液相变传热的三维多重弛豫时间(MRT)LBM模型，结果表明，三维双分布函数(DDF)-MRT多孔介质对流换热模型在空间上具有二阶精度。在孔隙尺度上，贾兴龙等12对方腔内填充不同梯度金属骨架结构系统的蓄热特性进行数值模拟研究，结果表明，正梯度骨架结构对相变换热过程的强化效果最好。四参数随机生长法(QSGS)因其简单、灵活和高质量的生成结构等优点，被用来重建骨架微观结构。Huo等13建立了 PCM/多孔介质电池热管理(BTM)的 LBM 模型，研究了瑞利数(Ra)和孔隙度()对BTM传热过程的影响，结果表明，降低 会加快熔化速度。Han等14建立熔融CPCM的LBM模型，结果表明，金属颗粒的存在提高了PCM的热性能。焓法模型和温度法模型是研究相变传热过程的两种模型，而焓法模型在界面移动的问题上不需要时刻追踪移动的界面。Jourabian等15基于焓的DDF-LBM研究了多孔基质对环形区域冰融化的影响，结果表明，提高多孔基体的导热率或降低多孔基体的熔融速率都会增加。Ren等16采用焓的浸没边界LBM对金属泡沫增强PCM熔融过程进行研究，结果表明，存在最佳的泡沫金属(0.95)以实现最高潜热储能装置的储能效率。从上述研究发现，多孔介质增强了PCM的储能效率。QSGS重构的多孔介质与实际多孔介质的骨架形貌符合性更高，因此目前国内外学者采用QSGS对随机分布多孔介质的相变储能机理进行研究，以往与多孔介质CPCM储能特性相关的数值研究大多为石蜡等有机PCM，基于LBM在无机水合盐方面的研究较少，且QSGS重构的多孔介质大多数集中在研究其和骨架导热系数对相变传热的影响，而在孔隙尺度下探究骨架形貌对PCM的相变储能影响几乎没有，因此本工作采用QSGS构造多孔介质无机复合相变模型对其相变储能机理进行研究，分析其、固相生长核分布概率(Pc)、方向生长概率(Pd)和Ra对相变过程的影响。1数值模型及计算方法1.1物理模型及控制方程图1所示为二维方腔随机多孔介质无机CPCM的物理模型，方腔内充满为0.90的多孔介质骨架(黑色)和无机水合盐 PCM(白色)，其物性参数如表 1 所示。当时间0 时，无量纲熔化温度 Tm=0.40，左壁面为高温壁面，无量纲温度Th=1，右壁面和上下壁面均为绝热壁面，无量纲温度Tc=0，模拟遵循以下假设：多孔介质和PCM的热物性参数均视为常数；液体PCM假定为不可压缩牛顿流体；流体在壁面上满足无滑移边界条件；多孔介质和PCM处于局部非热平衡状态。yxThadiabatadiabatadiabat图1物理模型Fig.1Physical model62第 1 期崔婷婷等：基于LBM的多孔介质无机复合相变材料储能特性基于以上假设，孔隙尺度内相变过程的连续性方程、动量方程和能量方程如下14：u=0(1)(u)t+(uu)=-p+(u)-g(T-Tref)(2)(cp)fTft+(cp)f(u Tf)=kf2Tf-fLflt(3)多孔骨架传热为纯导热过程，其能量方程如下：(cp)mTmt=km2Tm(4)式中，下标f、m分别代表PCM、多孔骨架，u、T、p分别为液相的流速、温度、压力，Tref为参考温度，v、k分别为流体运动黏度、热膨胀系数和导热系数，cp、fl、L分别为定压比热容、PCM的液相体积分数和相变潜热。在式(3)中，fl、L和T的关系可通过焓法求解，焓的定义为：H=(cpT)f+flL(5)熔化过程中的液相体积分数以公式(6)计算：fl=|0H Hl(6)无量纲参数如下：Fo=tl2，Pr=v，Ra=g(Th-Tc)l3v1.2LBM模型本工作采用DDF的热LBM模拟方腔内随机多孔介质无机CPCM的速度和温度场。速度分布函数演化方程：fi(x+eit，t+t)-fi(x，t)=-1ffi(x，t)-feqi(x，t)+tFi(7)式中，f为无量纲松弛时间，feqi为平衡态分布函数：feqi=i|1+eiuc2s+(eiu)22c4s-u22c2s|(8)式中，格子声速cs=c/3，为密度。外力项仅考虑自然对流产生的浮升力，计算如下：Fi=3ig(T-Tref)(9)温度分布函数演化方程为：gi，f(x+eit，t+t)-gi，f(x，t)=-1T，fgi，f(x，t)-geqi(x，t)+tSi(10)多孔骨架的温度分布函数演化方程为：gi，m(x+eit，t+t)-gi，m(x，t)=-1T，mgi，m(x，t)-geqi(x，t)(11)其中温度平衡态分布函数如下：geqi=iT|1+eiuc2s+(eiu)22c4s-u22c2s|(12)式中，T,f、T,m为无量纲松弛时间。孔隙尺度下的多孔介质无机CPCM固液相变过程需要考虑流固耦合传热，本工作将固体的扩散系数设置为流体扩散系数的10倍，并在固液界面采用反弹格式，固体上的粒子速度分量设置为0。1.3模型及网格无关性验证为了验证LBM模型的正确性，建立相似模型并与Beckermann等17的实验结果相对比，图2(a)展示了不同时刻固液相界面的位置，从图中可以看出，本工作所建立的数值模型与Beckermann所做实验测试结果吻合较好，最大误差为4.05%，在误差允许范围内，因此可以证明本工作所建模型的可靠