在全球能源结构向可持续发展转型的关键时期，高效储能技术是解决太阳能等可再生能源间歇性与不稳定性问题的核心所在。在众多储能技术中，相变蓄热技术因其在近乎等温条件下实现高密度储热而备受关注。然而，相变材料普遍导热系数小，蓄/放热速率低，限制了该技术消纳可再生能源。通过添加翅片的被动强化与旋转类主动强化耦合是提升相变蓄热性能的有效手段。其中，将旋转机制与金属翅片相结合的复合强化策略，展现出通过主动调控流场以突破传统静态设计性能瓶颈的巨大潜力，但其协同作用机制、结构优化设计及高效控制策略尚缺乏系统深入的研究。 本论文以提升壳管式相变蓄热单元的热性能为核心目标，聚焦于旋转-翅片复合强化技术，通过“数值模拟-实验验证-参数分析-结构优化-控制策略”的系统性研究路线，对低速旋转工况下翅片管的蓄热特性进行了深入探索与优化。研究旨在构建一套适用于低速旋转工况的高效相变蓄热装置设计理论体系，为推动该技术在太阳能热利用等领域的工程化应用提供理论依据和技术支撑。 首先，本研究建立了垂直管壳式翅片管蓄热单元的二维数值模型，并搭建了相应的静止与旋转实验台，对模型的准确性进行了充分的验证。实验与模拟结果在熔化进程、温度场演化及凝固特性方面均表现出良好的一致性，证实了所建数值模型能够可靠地模拟旋转与静止工况下的固-液相变过程，为后续大规模的参数化研究与优化设计奠定了坚实基础。 在模型验证的基础上，本文系统研究了静止与低速旋转工况下，翅片关键几何参数（间距、高度梯度、倾斜角度）对蓄热单元热性能的影响规律。研究发现，在静止状态下，通过非均匀化设计翅片间距，将底部翅片适度下移，可有效强化传热最弱区的热传导，与均匀间距基准案例相比，完全熔化时间最高可缩短26.70%，同时熔化速率均匀性提升57.90%，温度均匀性提升23.10%。对于翅片高度，提出并研究了正梯度（自上而下翅片高度递减）与负梯度（自上而下翅片高度递增）设计。研究结果表明，负梯度设计在熔化过程中优势显著，其通过增强底部区域的导热能力，促进了整体PCM的同步熔化，最佳负梯度设计（梯度-0.9）相比均匀高度翅片管可缩短完全熔化时间20.42%，并能有效缓解顶部热积聚，优化温度分布。此外，创新性地提出了倾斜翅片（角翅片）设计。研究表明，小角度（特别是向下10°-15°）倾斜能够有效引导热流路径，强化垂直方向的传热，与直翅片相比，向下10°倾斜设计可缩短完全熔化时间6.0%-8.3%，并显著改善熔化过程的均匀性。 进而，本研究将上述几何参数优化置于低速旋转工况下进行耦合分析。旋转产生的离心力显著增强了液态PCM的对流换热，与优化后的翅片结构产生了积极的协同效应。为了在复杂的多参数空间中寻找最优解，本研究引入了多策略改进麻雀搜索算法优化的BP神经网络，构建了MSISSA-BP-ANN相变完全时间预测模型。该模型以五片翅片的间距、翅高比和翅片角度共7个参数为输入，能够高精度（R2>0.99）预测完全熔化时间。通过该智能优化模型，成功寻得了最优的结构参数组合，其预测的完全熔化时间相比基准均匀结构缩短了27.83%，并通过数值模拟验证了该优化结构在熔化前沿推进和温度场均匀性方面的显著优势。 最后，针对旋转驱动带来的能耗问题，本研究提出了基于液相分数的旋转启停控制策略，旨在平衡性能提升与能耗成本。研究揭示了旋转启动时机对强化效果的临界影响：过早启动因液相区不足而效能低，过晚启动则因自然对流已充分发展而收益下降。对于基础翅片管，在液相分数达到0.6时启动旋转驱动，能实现单位能耗收益的最大化，其单位耗能熔化时间缩短收益相比连续旋转策略提升40.47%。而对于优化后的翅片管结构，最优旋转启动点略滞后至液相分数0.7。该研究为旋转蓄热设备的智能、高效运行提供了关键的控制策略依据。 本论文通过系统的理论分析、数值模拟与实验验证，揭示了旋转与翅片协同强化相变蓄热的机理，提出了非均匀间距、负梯度翅高和向下倾斜角度的创新结构设计，并建立了基于智能算法的结构优化方法和基于液相分数的旋转控制策略。研究成果显著提升了壳管式相变蓄热单元的热性能，形成了从结构设计到运行控制的完整技术体系，对推动高性能相变蓄热技术的工程应用与太阳能的高效利用具有重要的理论指导意义和工程应用价值。 |
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