相变蓄热技术凭借其高储能密度和近似等温的蓄放热特性，在提升清洁能源系统稳定性与效率方面具有重要潜力。然而，纯相变材料固有的传热性能不足，严重制约了其实际应用与推广。相变材料在蓄—放热过程中受到自身导热系数低的固有缺陷，且固—液相界面随时间不断向远离热源方向移动，常规的强化换热手段无法解决相变中后期的热阻增大问题。为提升蓄热系统的热性能，本研究提出了一种水蜡混合蓄热过程，通过水与石蜡的不相溶特性以及水的优异导热性能，在石蜡顶部布置特定比例的水层，通过石蜡熔化后的密度变化，与熔化后的液态石蜡间发生位置驱替，使得高导热性能的水不断推进相界面，构建了一种可同时强化传热与实现显—潜热协同储热的混合蓄热过程。通过实验和数值模拟研究了水蜡混合蓄热过程多相流动传热特性与强化换热机制，结合多目标参数优化及机器学习方法，深入研究了不同熔化模式下的热物理过程，详细探讨了不同混合蓄热过程在稳态与非稳态热源下的蓄放热特性，为高效相变蓄热器的设计与应用提供了重要理论与技术支撑。主要工作和结论如下： （1）提出了两种水蜡混合蓄热构型，通过实验与模拟揭示了二者差异化的传热机制。顶部水层构型依靠相变引发的密度差驱动剧烈对流置换，能主动推进相界面，有效抑制熔化中后期热阻上升，使其熔化时间较底部水层构型缩短52%；而底部水层构型主要依赖水的基底导热作用。所建立的数值模型经实验验证，误差低于6.07%，为后续揭示强化换热机理、解析参数影响规律、实现优化设计提供了坚实的理论依据和方法支持。 （2）厘清不同混合蓄热结构固液相界面的推进过程、温度分布的动态特性、以及自然对流与强制驱替的传热机制。研究表明，初始底部为石蜡、顶部为水的结构在熔化初期因密度差驱动水—石蜡置换，形成不规则相界面，显著增强流动与传热。该结构凭借水的高导热性，有效抑制了熔化中后期的热阻上升，熔化时间较底部水结构缩短52%。 （3）围绕初始底部为石蜡、顶部为水的水蜡混合蓄热过程，开展了关键参数的定量优化研究。研究表明，水蜡填充比是核心设计变量，增加水占比可大幅缩短76.40%的蓄热时间，但会相应降低22.06%的总蓄热量，体现出以空间换时间的快速蓄热特性。响应面优化获得的最优参数组合使系统综合蓄热性能进一步提升3.28%，蓄热时间降低1.64%，且预测误差不超过1.003%。 （4）揭示了水蜡混合蓄热过程在非稳态脉动热源作用下的动态响应行为与传热传质机制。分析热源参数（振幅、半周期、基础温度）对熔化过程、相界面演变及蓄热性能的影响规律，并基于田口方法进行多参数协同优化。在周期性脉动热源下（基础温度338.15 K，振幅10 K，半周期50 s），使得相变材料熔化时间减少19.70%，平均蓄热速率提升约30%，证明了该结构对波动热源的良好适应性与可控性。 （5）针对太阳能利用中的间歇性与波动性问题，评估了混合蓄热在真实太阳能辐射条件下的全天候性能与经济性。通过对比不同水占比与热通量条件下的熔化过程与储能性能，并结合典型日太阳辐射数据开展动态仿真与负荷匹配分析，研究表明，以西安夏季太阳辐射作用下，混合蓄热结构全天总蓄热量较纯石蜡结构提升16.12%。结合建筑负荷分析表明，该系统在削峰填谷方面具备优势，可节约12.70%的储热成本，展现了良好的工程应用前景。 （6）针对水蜡混合蓄热结构的放热过程开展系统研究，重点探究其在恒定热输出条件下的凝固行为与放热特性，并提出结构优化方案。水层的引入显著加快了凝固过程，当水填充比从25%增至50%后，相变材料的凝固时间降低66.67%，而总放热量仅减少9.56%。进一步对其在不同的恒定热边界需求下的放热性能进行了对比，并构建了基于长短期记忆网络（LSTM）的智能预测模型，实现了对蓄/放热过程关键参数的高精度时序预测（平均绝对百分比误差普遍低于2.74%），为混合蓄热系统的放热性能快速评估与结构优化提供了可靠工具。 本文系统评估了水蜡混合蓄热过程在多种热边界条件下的蓄放热性能，揭示了其强化传热机制与能量调控规律。形成了一套突破传统相变蓄热技术瓶颈的混合蓄热新方法及其优化设计体系，为开发高效、紧凑的蓄热系统及推动其在清洁能源领域的热利用提供了重要依据。 |
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