相变颗粒填充床储热系统的传热与流动特性数值模拟研究

　　针对可再生能源储热系统中相变材料(PCM)熔化效率低、局部温度分布不均等问题，重庆大学团队通过建立耦合DEM-CFD的三维模型，首次量化了含空腔PCM胶囊的自然对流效应，揭示了径向分层结构(RLM)可使储热速率提升17.8%，为高密度储热系统设计提供了新思路。

　　

随着太阳能、风能等可再生能源的大规模应用，其间歇性和不稳定性成为制约发展的关键瓶颈。储热技术作为平衡能源供需的重要解决方案，在光热电站、余热回收等领域具有广泛应用。传统壳管式、翅片管式储热系统存在效率低、热损失大等问题，而基于相变材料(PCM)的填充床潜热储热系统(PBLHS)凭借高储热密度、稳定输出等优势成为研究热点。然而，现有技术面临两大挑战：一是PCM胶囊内空腔和自然对流对熔化过程的影响机制不明确；二是填充床内颗粒排列方式对热流分布的影响缺乏系统研究。

重庆大学研究人员在《Journal of Energy Storage》发表的研究，通过创新性结合离散元法(DEM)与计算流体力学(CFD)，首次构建了考虑空腔和自然对流效应的三维PBLHS模型。研究团队首先建立二维轴对称模型量化有效导热系数(ETC)与液相分数γ、瑞利数Ra的关联性，进而开发了DEM-CFD耦合算法，系统分析了入口温度、质量流量、颗粒尺寸及四种填充结构（随机单分散RPM、径向分层RLM、轴向分层ALM、随机混合RCM）对储热性能的影响。

关键技术包括：1) 采用焓-孔隙法模拟含10%空腔的球形PCM熔化过程；2) 基于DEM精确还原颗粒空间分布；3) 通过ETC模型简化自然对流计算；4) 定义储热量Q_charge
、PCM储能Q_PCM
和平均充电速率P_aver
等能量指标。

【数值建模与验证】
通过NaNO₂
相变颗粒(熔点493.15K)的模拟发现，ETC随γ和Ra增加呈非线性增长，验证了空腔会延长熔化时间但有利于体积膨胀。

【能量分析】
当入口温度从593.15K升至653.15K时，储热速率提升42%，而质量流量增加50%使熔化前沿推进速度提高31%。

【填充结构影响】
RLM结构的径向温度分布均匀性最佳，其平均储热速率达3.18×10³
W，较RPM提升17.8%，归因于优化的孔隙率分布降低了流动阻力。

该研究首次实现了含空腔PCM胶囊的自然对流精确建模，证实RLM结构能显著改善热流均匀性。通过建立ETC与γ/Ra的定量关系，为大规模PBLHS设计提供了理论依据。研究成果对提升可再生能源储热效率、降低系统成本具有重要工程价值，为后续智能填充结构优化指明了方向。