相变蓄热装置不确定传热过程及优化设计方法研究

Due to phase change materials (PCMs)’ composition, machining error and other factors, the PCMs’ thermal physical properties, geometric properties, etc are usually uncertain. But at present, heat transfer characteristics research on phase change thermal storage are all based on certainty heat transfer models (Taken uncertainty factors as certainty factors). This is easily resulting in problems, such as excessive investment in system design or low heat exchange capacity, and so on. This topic is considering the uncertainty of influence factors (phase change temperature, latent heat of phase change material, PCMs’ geometry, etc) of phase change thermal storage, studying uncertainty heat transfer process and optimization design method of phase change thermal storage. .This topic first studies the rules and effect of uncertainty influence factors on phase change thermal storage thermal response (such as uncertainty temperature field, the outlet temperature, etc.) by the experiment. Then uncertainty heat transfer model is built considering uncertainty mathematics (mainly based on random mathematics method and interval mathematics method) and numerical heat transfer, etc. The perturbation method is applied to solve the model. Finally optimization design equations (including the objective function and uncertain restrict conditions) of phase change heat storage is built based on interval mathematics method. Related research results can provide theoretical basis for phase change thermal storage engineering application.

由于相变材料构成、加工工艺等原因，不可避免的存在着相变材料热物性、几何尺寸等的不确定性。但目前对相变蓄热装置传热特性的研究都是基于确定性传热分析模型（将不确定参数作为确定量处理）基础上。若以确定性模型的计算结果为设计依据则极易导致相变蓄热装置投资过大或换热能力过小等问题。本课题考虑到相变蓄热装置传热过程中影响因素（相变材料热物性、几何尺寸等）的不确定性，对相变蓄热装置不确定传热过程及优化设计方法进行了研究。.本课题首先通过实验研究分析不确定性影响因素对相变蓄热装置热响应（不确定性温度场、出口温度等）的影响规律。然后将不确定数学方法（主要为随机数学方法和区间数学方法）与数值传热学等理论结合建立蓄热装置的不确定数值传热模型并应用摄动法进行求解。最后建立了基于区间数学方法的相变蓄热装置优化设计方程组（包括目标函数及不确定性约束条件）并进行求解。相关研究成果可以为蓄热装置的工程应用提供理论基础。

由于相变材料构成、加工工艺等原因，不可避免的存在着相变材料热物性、几何尺寸等的不确定性。但目前对相变蓄热装置传热特性的研究都是基于确定性传热分析模型（将不确定参数作为确定量处理）基础上。若以确定性模型的计算结果为设计依据则极易导致相变蓄热装置投资过大或换热能力过小等问题。本课题考虑到相变蓄热装置传热过程中影响因素（相变材料热物性、几何尺寸等）的不确定性，对相变蓄热装置不确定传热过程及优化设计方法进行了研究。本课题主要研究成果如下：.1）为了定量研究相变材料的不确定传热过程，需要知道相变材料参数在某种随机分布下对相变材料热响应的影响。但对于实际的相变蓄热装置来说，相变材料的参数的分布函数是极难得到的。但对于实验研究来说，想直接控制相变材料某个参数，使其符合某种分布，基本是不可能的。本课题提出了一种加热器控制装置，该控制装置可以使加热器产生不同随机分布函数的加热功率，通过以加热功率模拟相变材料的相变潜热，实现了控制相变潜热符合某种随机分布的目的，实现了装置不确定传热过程的实验研究。.2）将相变温度、相变潜热、材料尺寸作为随机变量，其他参数视为常数，通过将不确定性数学中的“区间数”分析方法与有限差分方法结合，将不确定因素的变化范围看作一个“区间数”，建立了蓄热装置的“区间数”数值传热模型。并应用摄动方法对模型进行了求解。研究表明：考虑相变蓄热装置的不确定性传热过程是必要的。.3）基于蒙特卡罗方法，应用随机模型，对参数不确定度对相变蓄热装置蓄、放热过程的影响进行了分析。重点研究了不同参数在不同不确定度下对相变材料温度变化产生的影响。利用蒙塔卡罗方法研究发现，相变温度的偏差度对相变材料温度的影响最大，其次为管间距，导热系数与对流换热系数对相变材料温度的影响最小。本课题提出的蒙特卡罗计算模型可以对相变材料参数随机变化产生的影响进行分析，对相变蓄热装置的优化有一定借鉴意义。