骨架结构对固液相变蓄热性能影响的LBM研究.pdf

第 12 卷 第 6 期2023 年 6 月Vol.12 No.6Jun.2023储能科学与技术Energy Storage Science and Technology骨架结构对固液相变蓄热性能影响的LBM研究李晓庆1,2，范玉泽1，刘晓燕1（1东北石油大学，黑龙江 大庆 163318；2常熟理工学院，江苏 常熟 215500）摘要：固液相变材料通过潜热的形式存储能量，被大规模应用于热能存储领域，然而传统相变材料的热导率普遍较小，添加高热导率的多孔骨架可以提高蓄热性能。为了探究骨架结构对蓄热性能的影响，本工作采用基于焓法的格子Boltzmann双分布模型，在孔隙尺度上研究了骨架孔隙率和方向生长概率对熔化过程的影响，提出了无量纲蓄热功率作为评价参数。结果表明：随着孔隙率的降低，复合材料的熔化速率加快，无量纲蓄热功率增大。当孔隙率处于0.80以下时，无量纲蓄热功率较纯相变材料得到提高。选择合适的方向生长概率可以有效改善换热速率。主生长方向为1，3方向的骨架所需完全熔化时间较均匀骨架时缩短13.9%。本工作为多孔骨架复合相变材料的设计和应用提供了理论依据和数据参考。关键词：固液相变；多孔介质；格子Boltzmann方法；骨架结构doi：10.19799/ki.2095-4239.2022.0776 中图分类号：TK 02 文献标志码：A 文章编号：2095-4239（2023）06-1774-10Investigation of the effect of skeleton structure on the thermal energy storage performance of solid-liquid phase change using LBMLI Xiaoqing1,2,FAN Yuze1,LIU Xiaoyan1(1Northeast Petroleum University,Daqing 163318,Heilongjiang,China;2Changshu Institute of Technology,Changshu 215500,Jiangsu,China)Abstract:The solid-liquid phase change material(PCM)stores energy in the form of latent heat and is widely used for thermal energy storage.However,traditional PCMs generally exhibit low thermal conductivity.Adding a porous skeleton with high thermal conductivity can improve the thermal storage performance of these materials.To investigate the effect of the porous skeleton structure on thermal storage performance,we examined the effect of the porosity and directional growth probability on the melting process at the pore scale using an enthalpy-based lattice Boltzmann method with a double distribution function model.A dimensionless thermal storage power parameter was proposed to evaluate performance.Our results showed that as the porosity decreases,the melting rate of the composite increases,and the dimensionless heat storage power is enhanced.When the porosity is below 0.80,the dimensionless thermal storage power improves compared to pure PCM.By selecting an 储能材料与器件收稿日期：2023-01-03；修改稿日期：2023-02-15。基金项目：国家自然科学基金（52076036）。第一作者：李晓庆（1982），女，博士，副教授，研究方向为相变传热及多相流动技术，E-mail：；通讯作者：刘晓燕，教授，研究方向为管道安全输送技术、绝热技术及建筑节能技术，E-mail：Liu_。引用本文：李晓庆,范玉泽,刘晓燕.骨架结构对固液相变蓄热性能影响的LBM研究J.储能科学与技术,2023,12(6):1774-1783.Citation：LI Xiaoqing,FAN Yuze,LIU Xiaoyan.Investigation of the effect of skeleton structure on the thermal energy storage performance of solid-liquid phase change using LBMJ.Energy Storage Science and Technology,2023,12(6):1774-1783.第 6 期李晓庆等：骨架结构对固液相变蓄热性能影响的LBM研究appropriate directional growth probability,the heat transfer rate can be effectively improved.The complete melting time for a skeleton with the main growth direction in the 1,3 direction is 13.9%shorter than for a homogeneous skeleton.This work provides a theoretical basis and data reference for designing and applying porous skeleton composite PCMs.Keywords:solid-liquid phase change;porous media;Lattice Boltzmann method;skeleton structur热能储存技术以热量的形式存储能量，可以提高能源利用效率，缓解能源供应在时间和空间上的不匹配问题1，因此发展该技术对我国双碳目标的实现具有重要意义2。根据热量储存的方式分为显热储能和潜热储能，潜热储能以固液相变材料作为介质，在相变过程中通过潜热的形式储存能量，具有储能密度大、工作温度稳定、可重复性、可控性等优势，在建筑节能、太阳能光热储存、电池热管理、冷链运输及工业余热回收利用等领域有诸多应用3。传统固液相变材料的热导率较低，很难达到工业应用要求，大量学者对相变材料强化换热问题进行了研究4。添加高热导率的多孔载体材料，可以在提高复合相变材料的等效导热系数的同时保持较高的储能密度，因此，通过高热导率载体进行强化换热的问题成为了国内外学者的研究热点。其中，添加多孔介质如膨胀石墨以及膨胀岩石的研究较多，其他还有添加泡沫金属，使用材料多为铜、铝、镍等5-12。由于固液相变过程包含相界面移动问题，同时多孔介质几何结构较为复杂，所以对于多孔骨架内的相变传热问题主要采用数值模拟方法进行研究。传统模拟方法会遇到计算量巨大，需要大规模并行计算等问题，而格子Boltzmann方法(LBM)具有便于处理复杂边界，易于并行计算的优势，同时基于焓法的LB模型便于追踪相界面，适合研究多孔骨架内的固液相变问题13-17。Huo等11通过在相变材料中添加扇形多孔介质以强化换热，采用LBM在孔隙尺度上研究了多孔介质中固液相变过程中的瑞利数、孔隙率和角度对传热性能的影响。Chen等18基于LBM，建立了一个可以模拟多孔介质中瞬态固液相变过程的模型，在REV尺度上研究了泡沫铜增强相变材料的熔化过程。Huang 等19采用LBM，在孔隙尺度上对含梯度多孔介质方腔内的自然对流熔化过程进行了数值研究，分析了瑞利数、梯度孔隙结构、梯度方向和孔隙粒径等因素对自然对流熔化过程的影响。Jourabian等20采用基于焓法的LBM，在REV尺度上模拟了倾斜椭圆环中加入多孔材料后的熔化过程，研究表明在长形和倾斜装置中使用多孔骨架可以有效避免椭圆环底部出现分层现象。Mabrouk等21采用基于焓法的LBM对强制对流下添加泡沫金属骨架的矩形通道内石蜡相变过程进行了研究，分析了孔隙密度和孔隙率对传热过程的影响，研究表明，在靠近热流体入口侧的热传导作用更强，出口侧则是对流作用占主导，在放热过程中增加孔隙密度可以增强热传导作用，但会限制强制对流作用。贾兴龙22利用LBM，研究了骨架导热系数、孔隙率以及结构梯度对相变熔化蓄热过程的影响，结果表明，孔隙率越低，骨架对自然对流抑制作用越明显。在相变前期，以热传导为主时，提高骨架占比可以增强换热速率；在相变中后期，以自然对流为主时，提高骨架占比会降低换热速率。Shirbani等23基于LBM研究了孔隙排列、孔径大小对泡沫金属复合相变材料蓄热性能的影响，结果表明，大孔径可以提高自然对流在总换热中的作用来影响蓄热性能。Yin等24构建了中心距格式多松弛LB碰撞模型，在孔隙尺度上对多孔介质内熔化过程进行了模拟研究。Liu等25采用基于焓法的多松弛LB模型，在REV尺度上研究了达西数以及孔隙率对多孔介质内熔化过程的影响。Wu等26提出了一种REV尺度上的多孔介质固液相变的新型LB模型。Li等27-28在孔隙尺度下建立了LB模型，分别研究了低重力和超重力对多孔介质内相变过程的流动传热特性的影响，结果表明，增大重力后自然对流作用得到改善，增强了传热性能，但温度分布不均匀现象更加明显。目前对于添加骨架对固液相变传热性能影响的研究中，研究内容普遍通过对比不同的多孔骨架的孔隙率、热物性以及相变材料无量纲参数来分析其对相变过程的影响，缺乏对蓄热性能的具体评价指标。研究骨架普遍为均匀多孔材料，非均匀多孔骨17752023 年第 12 卷储能科学与技术架多为梯度孔隙率多孔骨架，而改变生长方向的非均匀骨架的研究则鲜有报道。本工作选择骨架结构作为研究内容，采用基于焓法的格子Boltzmann双分布模型，提出了无量纲蓄热功率的概念作为蓄热性能的评价参数，在孔隙尺度上对孔隙率和方向生长概率对蓄热过程的影响展开了分析。研究结果对复合相变材料的设计具有一定的指导意义。1 模型及计算方法1.1物理模型图1为本工作使用的物理模型示意图，方腔边长都为L，方腔内白色表示多孔介质骨架，蓝色表示相变材料。多孔介质由四参数随机生成法(QSGS)构建，相变材料参考石蜡，相变中心无量纲温度为0.5，相变无量纲温度半径为0.1，左侧壁面加热，无量纲温度Th=1，上下壁面和右壁面均为绝热，初始无量纲温度T0=0。1.2数学模型1.2.1宏观控制方程在保证计算精度的前提下，为了提高计算效率，对建立的数学模型进行了以下假设和简化：（1）假设相变材料在液态时为不可压缩流体，流动状态为层流；（2）假设相变材料和骨架物性参数为固定值，不随温度变化而改变；（3）忽略流体流动时的黏性热耗散；（4）液态相变材料遵循Boussinesq假设。相变材料部分宏观控制方程如下：u =0(1)u t+(u )u =-1 p+e 2u -fKu -FK|u|u +g(T-Tref)(2)(Cp)t T t+(Cp)t(u T)=kt 2T-La t(3)式中，u为相变材料渗流速度，t为时间，为密度，e为有