COMSOL再谈填充床潜热储热系统
——基于《不同结构填充床蓄热罐换热特性及分层性能研究》中文核心期刊论文的复现
（二维轴对称、三维）
作者：极度喜欢上课
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2022年本人写了一篇文章[1]，该文利用“异质法”对《孔隙尺度相变微胶囊的储热特性研究》（中文核心期刊论文）进行了基本复现。并基于所复现的二维模型，对三维的储热单元物理模型也进行了数值分析，为大家详细说明了“二维模型”和“三维模型”的联系与区别。为进一步对比“异质法”与“均质法”，本文利用“均质法”对另一篇中文核心期刊论文《不同结构填充床蓄热罐换热特性及分层性能研究》[2]中的“3P-3R储热罐”工况进行了基本复现，并基于所复现的二维轴对称模型建立了三维模型，希望能给研究相关方向的同学带来一定的启发。如图1所示，根据参考文献[2]所提供的几何尺寸，利用二维轴对称维度进行建模。本文所复现的工况涉及三种尺寸的PCM胶囊以及三种不同物性参数的PCM材料，属于参考文献中最为复杂的工况。其中PCM材料的物性参数如图2所示。
在参考文献[2]的后处理中，常用到无量纲时间τ，并涉及τtot等参数。经过计算，在本文所复现的工况中取τtot为4200秒。如图3所示，展示了τ等于1时模型的速度云图。（为了提高模型的收敛性，在实际计算的过程中，将速度场和温度场分开计算。其中，速度场采用稳态计算，温度场采用瞬态计算。）由于将PCM 胶囊所构成的填充床区域可视为连续、均匀、各向同性的多孔介质区域，因此当HTF流经自由流动区域和多孔介质区域交界处的时候，可以看到流体的流动状态发生了明显的改变。![]()
图3
如图4所示，展示了不同τ时刻模型的温度云图。因为不同的多孔介质区域中的渗透率不一样、PCM物性参数也不一致，所以从图4中可以看出，不同的PCM微胶囊多孔介质区域的温度的变化是不连续的。![]()
图4
如图5所示，展示了不同τ时刻模型的中轴位置HTF温度的变化，其中（a）为本文模型所复现的结果，（b）为参考文献[2]的结果。如图6所示，展示了不同τ时刻模型的中轴位置PCM温度的变化，其中（a）为本文模型所复现的结果，（b）为参考文献[2]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如图7所示，根据二维轴对称模型的几何尺寸，建立了三维模型，其余所有参数都与基于论文复现的二维轴对称模型一致。在三维空间下模型属于标准的圆柱体，为了减少计算量，三维模型取八分之一进行计算。![]()
图7
如图8所示，展示了τ等于1时模型的速度云图。图8所表现出来的规律与图3基本一致。![]()
图8
如图9所示，展示了不同τ时刻模型的温度云图。图9所表现出来的规律与图4基本一致。![]()
图9如图10所示，展示了不同τ时刻模型的中轴位置HTF温度的变化。如图11所示，展示了不同τ时刻模型的中轴位置PCM温度的变化。图10和图11所表现出来的规律与图5和图6基本一致，也与参考文献的结果高度一致！![]()
图10
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图11
本文利用“均质法”对《不同结构填充床蓄热罐换热特性及分层性能研究》[2]中的“3P-3R储热罐”工况进行了基本复现，并基于所复现的二维轴对称模型建立了三维模型。结果表明，二维轴对称模型与三维模型计算得到的结果与参考文献的结果高度一致，也间接验证了二维轴对称几何维度与三维几何维度的统一性。将本文与本人2022年所写的文章[1]进行对比，能较为系统的了解“异质法”与“均质法”的异同，希望能给研究相关方向的同学带来一定的启发。[1] https://www.bilibili.com/read/cv20394013/[2] 李慧君,张久意,刘英光等.不同结构填充床蓄热罐换热特性及分层性能研究[J].工程热物理学报,2023,44(01):207-216.
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