加速度驱动的多孔介质内固-液相变对流换热不稳定性研究

The phase-change thermal energy storage system of heat transfer strengthened by porous media is promising for wide application in aerospace, for its advantages in heat capacity, thermal efficiency and temperature control. However, when the phase-change thermal energy storage system is applied in aerospace, the convective heat transfer process during phase change would be coupled with acceleration, which may induced a new type of convective heat transfer instability. So far, the unstable characteristics, generating mechanism and key influencing factors of this new convective instability is not clear yet, which may bring unknown and uncertain influence on the design of thermal energy storage system for aircraft. By phase interface visualization and internal temperature measurement, the convective instability of thermal energy storage system under typical centrifugal conditions will be experimentally studied in this project, obtaining the characteristics of heat transfer during solid-liquid phase change in porous media under different accelerations. Meanwhile, based on the reconstructed three-dimensional porous media model and Lattice-Boltzmann method, the convective heat transfer process in three-dimensional porous media will be simulated and verified by the experimental results. By combining the experiments and simulations, the generating mechanism and evolution law of the convective heat transfer instability during phase change will be concluded, and finally establish the mechanism of the convective heat transfer instability driven by acceleration during solid-liquid phase change in porous media. This research may provide basic theoretical support for the application of thermal energy storage system in aerospace.

多孔介质强化传热的相变蓄热器具有热容量大、换热效率高、控温稳定等优点，在航空航天领域具有广泛的应用前景。但应用于航空航天领域的蓄热器内部对流换热过程与加速度耦合形成新的对流换热不稳定性。目前针对该不稳定性的研究比较缺乏，其基本特征、产生机理及关键影响因素的认知尚不清楚，给航空航天领域相变蓄热器的设计带来不确定性。本项目拟开展典型加速度条件下的相变蓄热器换热实验，通过相界面可视化及温度分布监测，获得不同加速度条件下多孔介质内固-液相变换热特征。同时，基于重建的三维多孔介质模型及Lattice-Boltzmann方法，开展三维多孔介质内固-液相变对流换热过程数值模拟，并与实验结果进行校核。结合上述实验与数值模拟结论，获得相变对流换热不稳定性的产生机理与演化规律，最终建立加速度驱动的多孔介质内固-液相变对流换热不稳定性机理模型。本项目研究成果有望为航空航天领域的相变蓄热器应用提供基础理论支持。

多孔介质强化传热的相变蓄热器具有热容量大、换热效率高、控温稳定等优点，在航空航天领域具有广泛的应用前景。当相变蓄热应用于航空航天时，由于相变产生的密度差在加速度的驱动下造成的液相浮升力变化，蓄热器内部对流换热与加速度耦合形成新的换热不稳定性，引发更为复杂的固-液相变流动与换热不稳定性特征。目前针对该不稳定性的研究比较缺乏，其基本特征、产生机理及关键影响因素的认知尚不清楚，给航空航天领域相变蓄热器的设计带来不确定性。.本文设计搭建了离心机搭载的多孔介质内固-液相变换热实验研究装置，通过相界面可视化及温度分布监测，获得不同加速度大小和方向下多孔介质内固-液相变换热特性。结果表明，蓄冷材料体系等效换热能力影响蓄热器换热性能与冷却均匀性，加速度方向对于相变蓄冷装置整体换热效率及换热均温性存在显著影响。当加速度方向与热流方向垂直或反向时，可强化蓄热器内相变材料对流换热以提升其换热性能；当加速度方向与热流方向同向时，蓄热器换热性能随加速度提升不明显，但相变材料冷却空穴沉积在此处将导致一定的传热风险。当加速度与热流方向存在一定夹角时，由于相变材料对流换热不平衡将导致温度分布不均匀。.为探究超重力环境下蓄热器的储热机理，构建了三维孔隙尺度格子-波尔兹曼固-液相变模型，模拟不同超重力环境下流动-相变换热特性。研究结果表明，随着重力加速度的增加，自然对流随之增强，逐渐成为固-液相变的主导换热机制，可引起愈加倾斜的固-液界面分布，导致沿重力方向温度分布不均匀性更加明显、局部出现换热死区等问题，与实验结果进行了对比。同时，针对可能出现的相变材料空腔问题，建立含有空腔的孔隙尺度格子波尔兹曼固-液相变模型，揭示不同空腔分布对固-液相变储热的影响机制，并定量探究空腔含量的影响效应，研究发现空腔分布对以导热为主的相变换热过程存在不容忽视的影响。.结合上述实验与仿真，初步获得了加速度驱动的相变对流换热不稳定性的产生机理与演化规律，上述研究成果有望为航空航天领域的相变蓄热器应用提供基础理论支持。