相变储能单元内拓扑翅片优化及其传热特性研究

摘要

为提升管壳式相变储能单元的蓄放热速率，采用基于变密度法的拓扑优化方法，对二维相变储能单元的翅片进行优化，设计了体积比(翅片体积占设计域体积比)分别为0.1、0.15、0.2的导热拓扑翅片；同时考虑液体流动，设计了体积占比分别为0.1、0.15、0.2的对流拓扑翅片。基于上述翅片构型，采用数值模拟方法，对比研究了分别使用拓扑翅片和矩形翅片的相变储能单元的蓄放热特性，分析了使用不同体积占比的拓扑翅片的蓄放热过程。研究表明：在蓄热过程中，使用体积占比为0.15的导热拓扑翅片和对流拓扑翅片的相变储能单元蓄热速率较矩形翅片分别提升了11.5%、33.0%,对流拓扑翅片由于考虑了蓄热过程中相变材料的自然对流效应，其性能优于相同体积占比的导热拓扑翅片；在放热过程中，导热拓扑翅片由于翅片分布较均匀、与相变材料接触区域大，其性能优于相同体积占比的对流拓扑翅片，其中体积占比为0.15的导热拓扑翅片构型综合性能最优。该研究为翅片设计提供了有效支撑，对推动拓扑优化在相变储能单元内的实际应用具有重要价值。

关键词

相变储能 / 拓扑优化 / 翅片构型 / 自然对流

基金资助

中央高校基本科研业务费资助项目(xzy022020026)