倾斜矩形腔体内相变材料接触熔化研究

摘要

相变材料尤其是有机相变材料在作为蓄能材料时由于其导热系数小，往往需要通过增加翅片、金属粒子或是增加金属网格的结构来实现强化传热。而在相变熔化过程一般以接触熔化方式为主，装有相变材料的封闭容器中受重力的作用使得加热面和相变材料的固态部分紧密接触，熔化的液体受到排挤沿着加热面被排出从而形成了一层薄的液膜从而获得较高的加热率。从而在此基础上发现了在矩形腔体内通过倾斜可以获得比原来非倾斜状态更高的传热量，从而更快的熔化速率。
　　实验采用有机玻璃腔体作为容器来构建可视化的环境将相变熔化过程通过相机记录下来并后期用图像处理可以得到液相份数以及固液界面线。通过可视化实验并通过图像数字化软件处理的方法可以确定倾斜角与完全熔化时间的关系，找到“转换角”，最终确定使得蓄能元件熔化效率最高的最佳倾斜角。
　　由于相变熔化过程导致数学模型的非线性使得少数理想情况才存在分析解，大部分有限容积问题通过近似求解和数值模拟的方法获得。通过对非倾斜状态下的矩形腔体近似分析解模型与实验结果对比结果吻合程度良好，证明了图像处理的可行性。并在非倾斜的状态下提出了倾斜状态下的矩形腔体内接触熔化模型并得到了对应的近似分析解与倾斜情况实验对比，吻合良好，证明了在倾斜矩形腔体内接触熔化为其主要传热方式。
　　采用数值模拟构建熔化模型并发现相变熔化过程存在5个阶段，第一阶段发生在熔化的开始阶段，固态向液态转变的阶段；第二阶段底部固态相变材料和加热面的液膜稳定形成的阶段；第三阶段随着液态相变材料的增多，使得右接触面和固态相变材料之间液体层逐渐趋于稳定；第四阶段稳定后的固态相变材料在重力的作用下下沉；第五阶段此阶段主要是针对倾斜角为45°和60°之间，在此角度之间受自然对流的影响明显。通过与近似分析解的对比可以看出，熔化初期主要以接触熔化为主，而对流换热在后期变得强烈变得不可忽略。

目录

声明

主要符号表

第一章 绪论

1.1 选题背景与意义

1.2 热能储存系统

1.3 相变材料的应用

1.4 不同形状容器中相变材料的熔化机理研究

1.5 矩形腔体内接触熔化

1.6 本文主要研究的研究目标和研究内容

第二章 实验及图像处理方法

2.1 实验装置及步骤

2.2 图像数字化处理

2.3 结果与分析

2.4 本章小结

第三章 倾斜矩形腔体内接触熔化的理论分析

3.1 接触熔化传热过程研究

3.2 理论模型分析

3.3 非倾斜实验对比分析

3.4 倾斜角实验对比分析

3.5 本章小结

第四章 数值模拟计算

4.1 数值模拟计算简介

4.2 数学物理模型

4.3 计算参数的选定

4.4 数值模拟计算结果对比分析

4.5 本章小结

第五章 结论与展望

5.1 主要结论

5.2 研究展望

参考文献

攻读硕士学位期间的研究成果

致谢