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1、华南理工大学学报(自然科学版)第29卷第11期JournalofSouthChinaUniversityofTechnologyVol.29No.112001年11月(NaturalScienceEdition)November2001文章编号:1000-565X(2001)11-0001-063纤维复合相变蓄热材料的固/液界面模拟及分析11112汤勇张娟周德明王威王小五(1.华南理工大学机电工程系,广东广州510640;2.华南理工大学应用物理系,广东广州510640)摘要:按单元结构相似的理
2、论设计了蓄热材料相变传热的物理模型,采用焓法理论和有限差分法建立了一种求解此物理模型传热特性的三维数学模型.利用软件计算结果研究了纤维复合相变材料凝固过程中固/液界面的移动规律及其放热特性,并用摄影法和测温法对纤维相变材料的凝固特性进行了实验论证,其结果与理论计算结果吻合,从而证明了本文所提出的数学模型的正确性.为实用的纤维复合相变材料蓄热器的设计提供了指导性的数学工具.关键词:纤维复合相变材料;传热模型;相变蓄热材料中图分类号:TK513.5文献标识码:A近年来,随着全球工业的迅猛发展,能源渐
3、趋紧数值解法的另一类则以焓为变量,建立起满足整个张;同时,生产、生活中大量被浪费能源的回收利用以求解域的能量方程.由于焓包含了潜热,相变的影响及太阳能、地热等新型能源的开发需要,使储能理论自动地包含在焓形式的能量方程中,从而不需要考与技术研究的重要性日益显露.相变储能以储能密度虑固液移动界面.ShamsunderN和SparrowEM高、易与运行系统相匹配和易控制等优点,被大量应证明了焓形式能量方程与传统的以温度为变量的能[1～3][8]用于建筑节能、空调蓄热和余热回收装置.量方程等价,且定性地
4、讨论了用焓法模型求解各使用单介质相变材料的蓄热器因其在换热过程类相变问题.此后,Crowley用焓法模型计算正方形中相变材料不断发生相变而使相变材料的传热热阻物体的凝固过程,其结果与Saitoh的数据十分吻逐渐变大,且有效传热面积也会逐渐变小,因而在工合.ShamsunderN也用焓法模型分析了壳管式相业上的应用就受到了限制.而本文所研究的纤维复变蓄热器各种参数对其传热特性的影响,有学者用合相变材料是在普通的相变材料基体里铺设同基体焓法模型研究了圆肋管外凝固放热特性及固液界面紧密结合的导热纤维来
5、改善普通相变材料的导热性移动规律.综观前人的研究我们可以看出,利用焓法能,从而大幅度地提高蓄热器的热交换效率.但由于模型求解相变传热问题具有格式简单、精度高的特这是一种新型材料,对其相变过程的理论研究在国点,尤其是易于推广到多维情形.际上暂时还没有相关文献发表.目前,相变问题的解随着技术的发展,工程上采用性能更好、成本更[4～7]法一般都采用数值方法,可分为两大类:一类低的复合材料是趋势之一,相变蓄热领域也开发出是以温度为变量,分别在固、液两相和固液界面上建很多复合相变材料,对于复合相变材料相变
6、理论的立能量方程,用有限差分法或有限元法求解.由于固研究也变得越来越迫切.因此,采用焓法模型求解具液界面能量方程中包含垂直于界面的温度梯度,很有周期纤维分布的相变材料的相变问题,研究其凝难获得对空间步长具有二阶精度的离散差分方程.固热特性及固液界面移动规律就显得十分重要.收稿日期:2001-12-061物理模型和数学模型的建立3基金项目:国家自然科学基金资助项目(29876014)作者简介:汤勇(1962-),男,副教授,主要从事先进制1.1物理模型造和节能技术的研究.物理模型结构如图1所示.为
7、简化分析,我们将©1994-2009ChinaAcademicJournalElectronicPublishingHouse.Allrightsreserved.http://www.cnki.net2华南理工大学学报(自然科学版)第29卷一个光管安装在一个充满相变材料的长方形容器由此可得,传热模型由以下能量平衡方程构成:内,纤维按一定规律布置在容器中,同时光管中通过h/csh≤csTm(固相)冷却液.T=TmcsTm≤h≤csTm+L(界面)(1)(h-L)/cLh≥csTm+L(液相)29
8、h199Tsκs9Tsρs==κsr+2+9tr9r9rr9<229Tsκs2h≤csTm(2)9z29h199TLκL9TLρ==κLr+2+L9tr9r9rr9<229TLκL2h≥csTm+L(3)9z径向纤维的导热方程为图1物理模型29Txw9Txw29TsFig.1Thephysicalmodelρxwcxw=κxw2+κs(4)9t9rRxw9zz=0或z=B1.2数学模型的建立而与轴向纤维和环绕纤维交界处的径向纤维的由于加入了网状的纤维,在环绕光管的方向上导热方程为结构变成了不均匀
