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1、崔海亭等:泡沫金属相变材料熔化传热过程的数值分析1439*泡沫金属相变材料熔化传热过程的数值分析崔海亭,曹向茹,彭培英(河北科技大学机械电子工程学院,河北石家庄050018)摘要:以泡沫金属为基体,孔隙中填充相变材料制2数学模型的建立成的蓄热材料为研究对象,利用FLUENT凝固/熔化模型对填充和未填充泡沫金属的两种相变材料制成的图1所示为相变蓄热装置示意图,蓄热球在密闭蓄热球的相变传热过程进行数值模拟研究,得到了蓄式圆柱形槽中有规则的堆放,载热流体从蓄热槽孔隙热球传热过程的温度场分布、相界面移动规律。研究流过球形蓄热体表
2、面,蓄热球吸收载热体携带的热表明与未填充泡沫金属相变材料的蓄热球相比,填充量,从而由球壁向球内逐渐熔化,直至整个球内完全泡沫金属相变材料的蓄热球能显著缩短其熔化时间并发生相变。蓄热球的物理模型如图2所示。由于与整提高相变材料内部温度均匀性,从而能提高蓄热装置个储能槽相比,蓄热球直径较小,故单个蓄热球周围的蓄热速率,对相变问题的数值模拟以及相变蓄能装载热流体温度可视为同一值。置的设计具有重要的参考价值。关键词:泡沫金属;相变传热;蓄热球;数值模拟中图分类号:TB34;TK124文献标识码:A文章编号:10019731(20
3、10)081439041引言随着能源危机的日益加剧,利用相变材料存储能量已成为研究热点,虽然相变材料本身具有储热密度大,且储能过程近似恒温等优点,但这类材料的热传导率却很低,在一定程度上限制了它的应用。为了提高相变材料的导热能力,可通过在相变材料中添加各种图1相变蓄热球储能槽示意图形态的金属、石墨、肋片等措施,来强化相变材料的导Fig1Schematicofheatstoragetankwithphase热系数。为此,国内外学者做了大量理论和实验方面changeballs[15][6]的研究。彭冬华等利用泡沫铝为骨
4、架,考虑金属骨架与流体之间的不同的传热特性,建立了泡沫金属[7]内熔化相变传热的双温度模型。Bedecarrats等对填充有球形相变材料的蓄热槽内部的相变传热特性做[8]了数值分析。郭茶秀等利用计算流体力学软件FLUENT凝固/熔化模型对一种相变材料蓄冷球的凝[9]固过程进行数值模拟研究。Mesalhy等研究了将具有各种不同导热系数和不同孔隙率的多孔金属基体加图2蓄热球物理模型入相变材料,对相变蓄热装置热性能的影响,并采用数Fig2Thephysicalmodelofheatstorageball值方法对水平圆柱环的熔化过程
5、进行了研究。为分析方便,对物理模型作如下假设:(1)假设载综上所述,采用泡沫金属作为金属骨架能改善相热流体流动为层流,且流体和固体处于局部热平衡;变材料的传热性能。本文采用近年来开发的孔隙率为90%的泡沫金属铝为骨架,孔隙中填充石蜡作为储能(2)初始时刻球内蓄热介质的温度均匀一致;(3)石蜡介质,采用数值方法,利用FLUENT软件对蓄热球相相变范围在332~334K之间;(4)物性参数在每相中变传热过程进行分析研究。不随温度变化,在处于熔融状态时,参数随温度线性变化;(5)由于导热系数对传热的影响最大,故加入泡沫金属后,忽
6、略其它物性参数变化的影响。材料的物性*基金项目:国家自然科学基金资助项目(50876004);河北省科技支撑计划资助项目(09203923D);河北省教育厅科学研究计划资助项目(2009437)收到初稿日期:20100111收到修改稿日期:20100617通讯作者:崔海亭作者简介:崔海亭(1964-),男,河北蠡县人,教授,博士,主要从事蓄热材料、强化传热技术的研究。14402010年第8期(41)卷参数如表1所示。表1材料物性Table1Materialproperties材料熔点()熔解热(kJ/kg)密度(
7、kg/m3)比热(kJ/(kgK))导热系数(W/(mK))59~61224837.7(s)3.2(s)0.558(s)石蜡772.2(l)2.8(l)0.335(l)填加泡沫59~61224--14.496(s)金属后14.286(l)本文中加入泡沫金属后采用有效导热系数进行下合石蜡的当量导热系数;为泡沫金属的孔隙率。一步的传热计算。其有效导热系数计算按文献[10]中根据FLUENT的融化/凝固的基本理论,并采用所提出的公式取值:以上假设后,数学模型可以简化为连续性方程:kr+2km-2(km-kr)(u
8、)(v)keff=km+=0kr+2km+(km+kr)xy其中:km为泡沫金属的导热系数,J/(kgK);kr动量方程为:为石蜡导热系数,J/(kgK);keff为加入泡沫金属后复22lul(uu)(uv)peff!uu+2+=-+2+2
