COMSOL再谈相变能量桩
——基于《相变能量桩段模型传热模拟》中文核心期刊论文的复现
作者：极度喜欢上课
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一、引言
2022年本人写了一篇文章[1]，该文在参考一篇中文核心期刊论文《相变能量桩段模型传热模拟》[2]的基础上建立了二维的相变能量桩段传热模型，并录制了一套完整的建模视频[3]，向大家详细说明了COMSOL自带显热熔法的建模过程以及相变混合物材料参数的设置技巧。
为进一步探究相变能量桩蓄放热的情况，本文继续深入分析，对《相变能量桩段模型传热模拟》[2]中相变混凝土含百分之五相变材料工况的三维模型进行了基本复现，并将模型所得到的结果与参考文献中的结果进行对比，结果表明模型复现的结果与参考文献的结果高度对应。在所复现的相变能量桩段模型的基础上，本文对所复现的相变能量桩段模型进行拓展，制作了完整的相变能量桩模型，并分析了完整相变能量桩的蓄放热过程。
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二、论文复现
（一）模型建立
如图1所示，根据参考文献[2]所提供的几何尺寸，在三维维度中进行建模。相变能量桩的直径为0.3米，高度为0.2米；换热管的直径为3厘米，两管心的间距为0.2米；土体范围长宽均为1.2米，高为0.2米。
图1
模型所用到的材料物性参数如图2所示，相变混凝土的物性参数满足图3所示公式。其中，相变混凝土属于相变材料和混凝土材料的混合材料，其设置是本文模型的一个难点。
图2
图3
在本节模型中，通过直接在换热管壁施加温度边界条件来模拟换热管中通入冷热水的效果。其中换热管的温度变化如图4所示，第1阶段为高温恒温阶段：温度为37摄氏度，保持24 h；第2阶段为降温阶段：简化为线性降温过程，经过24 h，由37摄氏度降为20摄氏度；第三阶段为低恒温阶段，温度为20摄氏度，保持24 h。
图4
（二）结果分析和讨论
如图5所示，展示了第80分钟时模型相变能量桩段相变以及温度分布的情况。其中（a）为本节模型所复现的结果，（b）为参考文献的结果，（a）中红色部分为相变混凝土高温相变后情况。如图6所示，展示了第290分钟时模型相变能量桩段相变以及温度分布的情况。其中（a）为本节模型所复现的结果，（b）为参考文献的结果。对比可以发现本文所复现的结果与参考文献的结果高度一致！
图5
图6
三、案例拓展
（一）模型建立
如图7所示，根据上节复现的相变能量桩段模型的几何尺寸，建立了完整的相变能量桩几何模型。其中土体高2米，换热管高1.5米，其余所有几何参数都与上节模型一致。为了更贴近实际的工况，本节模型考虑换热管内的流体流动，设定换热流体（HTF）为水，入口流速为1米每秒，调用COMSOL的内置材料参数Water, liquid，其余材料物性参数以及边界条件的设置与上节模型一致。
图7
（二）结果分析和讨论
如图8所示，为换热管内的速度云图。
图8
如图9所示，展示了高温恒温阶段相变能量桩的相变情况。如图10所示，展示了降温阶段相变能量桩的相变情况。如图11所示，展示了低恒温阶段相变能量桩的相变情况。
图9
图10
图11
如图12所示，展示了不同时刻相变能量桩的相变率。
图12
四、结语
本文对《相变能量桩段模型传热模拟》[2]中相变混凝土含百分之五相变材料工况的三维模型进行了基本复现，并将模型所得到的结果与参考文献中的结果进行对比，结果表明模型复现的结果与参考文献的结果高度对应。在所复现的相变能量桩段模型的基础上，本文还继续对所复现的相变能量桩段模型进行拓展，制作了完整的相变能量桩模型，并分析了完整相变能量桩的蓄放热过程。希望能给研究相关方向的同学带来一定的启发。
参考资料
[1] https://www.bilibili.com/read/cv20175811/
[2] 白丽丽,裴华富,宋怀博等.相变能量桩段模型传热模拟[J].防灾减灾工程学报,2019,39(04):684-690.DOI:10.13409/j.cnki.jdpme.2019.04.021.
[3]https://www.bilibili.com/video/BV1cP4y1X77M/?spm_id_from=333.788&vd_source=fc522462f018b32dd1984d284739bc69
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