三元纳米颗粒与几何波纹结构协同强化相变储能系统凝固过程的数值研究

《Heliyon》：Numerical investigation of solidification enhancement in thermal energy storage systems using ternary nanoparticles and geometric undulations and amplitude

　　本研究针对潜热储能系统(LHTESS)中相变材料(PCM)导热性能差的问题，通过数值模拟探讨了Al2O3-TiO2-Cu三元纳米颗粒与波纹状内管几何结构对凝固过程的协同增强机制。结果表明，增加纳米颗粒形状因子(Sf)和波纹参数(振幅A、波数N)可显著提升换热效率，使系统平均温度降低、固相分数提高、总能量减少，并建立了三者与完全凝固时间的定量关系式，为高性能LHTESS设计提供了新思路。

　　

随着全球能源供需矛盾日益突出，开发高效储能系统(ESS)成为解决能源短缺和环境问题的关键路径。潜热储能系统(LHTESS)凭借其高能量密度和近乎恒温的储/释热特性，在太阳能利用、工业余热回收及电子设备热管理等领域展现出巨大潜力。然而，传统相变材料(PCM)普遍存在导热系数低的瓶颈，严重制约了系统的充放热速率和整体效率。为突破这一局限，研究者们尝试通过添加高导热纳米颗粒、优化换热表面几何结构等手段强化传热，但关于三元纳米颗粒与复杂几何形貌协同作用的研究尚不充分。

为此，来自伊朗伊斯兰阿扎德大学的研究团队在《Heliyon》发表了题为"Numerical investigation of solidification enhancement in thermal energy storage systems using ternary nanoparticles and geometric undulations and amplitude"的论文，系统探讨了Al₂O₃-TiO₂-Cu三元纳米颗粒与余弦波纹管内壁对LHTESS凝固过程的协同增强效果。该研究通过构建多物理场耦合模型，揭示了纳米颗粒形状因子与几何参数对温度场、固相分数及能量演化的调控规律，为高性能热储能装置的设计提供了理论依据。

本研究主要采用有限元法(FEM)进行数值模拟，通过求解质量、动量和能量控制方程，分析了TNEPCM（三元纳米增强相变材料）在二维轴对称模型中的凝固行为。计算域包含外壁绝热的圆形储罐和内置余弦波纹管（几何形状由r=A(8cos(Nθ)+40)定义），采用自适应网格技术保证相界面处的计算精度，并通过与实验数据对比验证了模型可靠性（误差<4.9%）。关键参数包括纳米颗粒形状因子（Sf=3.9/4.7/5.9）、波纹振幅（A=0.0004/0.0005/0.0006）和波数（N=4/6/8），通过后处理提取平均温度、固相分数和系统总能量等指标。

温度与固相分数分布规律

研究通过系列瞬态云图揭示了凝固前沿的演化特征。当振幅A=0.0004时，N=4的配置下凝固启动缓慢，固相分数增长滞后；而N增至8时，波纹结构显著扩大换热面积，加速了低温向PCM内部的渗透。随着振幅提升至A=0.0006，更高曲率的波纹进一步缩短了导热路径，使温度场分布更均匀，固相分数在相同时间内提高约30%。特别地，当A=0.0006且N=8时，系统在4200秒时已接近完全凝固，凸显了几何优化对相变动力学的显著促进作用。

纳米颗粒形状因子的关键作用

研究首次量化了纳米颗粒形状因子（Sf）对凝固性能的影响。当Sf从3.9（砖形）增至5.9（片状），纳米颗粒比表面积的增加显著强化了界面换热，使系统平均温度降速提升约25%，固相分数增长率提高18%。这是由于高Sf纳米颗粒不仅通过增加导热路径提升了基体热导率，还作为异质形核点促进了结晶过程。值得注意的是，片状纳米颗粒（Sf=5.9）与高波纹参数（A=0.0006, N=8）组合时，系统总能量衰减速率最快，说明几何与材料强化存在协同效应。

三元纳米颗粒浓度的影响机制

通过对比不同体积分数（0%-4%）的TNEPCM凝固曲线，发现纳米颗粒的添加在凝固初期影响较弱，而在中后期（>2400秒）呈现显著加速效应。当浓度达4%时，固相分数在4200秒时比纯PCM提高约40%，这是因为凝固后期导热主导作用增强，纳米颗粒的导热网络更有效传递冷量。研究同时指出，过高浓度可能引发颗粒团聚反而抑制换热，4%被证实为该体系最优值。

多参数耦合的凝固时间预测模型

基于216组数值实验数据，研究建立了包含A、N、Sf三因子的凝固时间预测公式：Time=28376-101425A-437.11N-2978.4Sf-395417AN+1487940ASf+10.03NSf-441667×10⁵A²+29.3333N²+183Sf²。该模型揭示当A、N、Sf均取最大值时，凝固时间最短（较基准案例缩短约52%），且二阶项系数表明参数间存在非线性耦合，为工程优化提供了量化工具。

本研究通过多尺度数值模拟，明确了三元纳米颗粒与几何波纹结构对LHTESS凝固过程的协同强化机制。主要结论包括：1）增大波纹振幅和波数可通过扩展换热面积与缩短导热路径显著加速凝固；2）提高纳米颗粒形状因子能增强导热与形核能力，使固相分数提升最高达40%；3）4%体积分数的三元纳米颗粒在凝固后期发挥关键作用；4）建立的凝固时间预测模型为系统优化提供理论指导。该研究不仅深化了对多场耦合相变过程的理解，更为开发高效紧凑型储能装置提供了创新设计思路，对促进可再生能源利用和工业节能具有重要意义。未来工作可拓展至三维模型、变物性参数及多孔介质复合强化等方向。