四川
研究背景
在过去几十年里，金属泡沫已在一些应用中被用于改善和/或提高传热和热性能。许多参数影响着金属泡沫的热行为，如孔隙率、孔隙密度、几何结构、细胞直径、支柱和形状。目前，金属泡沫可以通过具有非有序随机结构的发泡工艺或具有有序结构的添加剂制造来获得，这可以决定不同的热和流体行为。陶瓷和金属泡沫的一个重要应用与热显能的热潜能储蓄有关。在最后一种情况下，使用金属泡沫显著改善了导热系数较低的相变材料（PCM）的热特性。与金属泡沫复合的PCM决定了一个优良的热能存储的组合。需要描述流体流动和热参数，如渗透率和传热系数，以及有效导热系数的不确定性，以及需要在复合PCM泡沫系统内部进行更好的现象学理解，需要在细胞水平上进行更深入的分析。在此背景下，意大利坎帕尼亚大学Oronzio Manca团队研究了具有圆柱形支柱的开尔文单元中复合材料PCM内部熔化的发展情况。考虑到两种不同体积的PCM和每单位长度具有相同数量的单元（孔隙密度）以及PCM体积与总体积（孔隙率）之间的比率的金属结构，本文的目的是对传热行为做出贡献。此外，该研究还可以估计体积大小对细胞内液相熔化速率和自然对流的影响。
相关成果以“Numerical investigation of melting process for phase change material (PCM) embedded in metal foam structures with Kelvin cells at pore scale level”为题发表在国际知名期刊《International Journal of Heat and Mass Transfer》上
研究结论
本文的数值研究分析了孔隙尺度下金属泡沫结构中相变材料（PCM）的熔化过程。计算域由两种不同大小的三维立方盒组成。分析区域充满了不同细胞长度（CPL）的开尔文细胞结构，恒定孔隙率为0.956。外壳的一个外表面有一高于PCM熔化温度的恒定温度，其他表面绝热。同时研究了PCM与开尔文细胞固体结构之间传热的共轭问题，采用焓-孔隙率法描述了PCM的熔化过程，利用有限体积法解决了孔隙尺度水平上的共轭传热问题，比较了在液体分数、PCM的平均温度和储能方面的不同CPL值，同时还考虑了两种不同体积的立方体盒之间的比较。金属开尔文结构的存在增加了整体传热速率，减少了熔化时间。结果表明，随着小腔体CPL数的增加，PCM熔化过程所需的时间减少。此外，总热积累过程达到最大值需要的时间更短。在CLP>6的条件下，大立方盒（L = 4英寸）的熔化时间和热积累持续时间恶化。这是由于显性粘性效应，较高的接触表面积降低了由浮力引起的速度。在这些情况下，PCM的液相和固相之间的传热大大减少。
研究数据
图1. (a)所研究的潜热存储草图，(b)、(c) 分别为CPL=1和CPL = 6的计算域简化，CPL = 6的网格(d)细节和(e)单个开尔文细胞的放大
图2. CPL = 2的网格分析
图3. 熔化时间作为细胞密度的CPL的函数
图4. 平面上的速度场x = L / 2的特定CPL值
图5. 不同CPL条件下PCM和固体纤维随时间的平均温度分布
图6. 不同时间的熔化分数和选择的CPL值
https://doi.org/10.1016/j.ijheatmasstransfer.2023.124440
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