相变蓄热技术因其高效的能量存储与释放能力在热能管理中具有重要应用价值，但纯相变材料因传热性能不足限制了其实际应用。翅片具有很强的导热能力，能够快速将热量从热源传导至蓄热器内部，但并未直接提升相变材料的热导率。金属泡沫以其丰富的扩展表面可内嵌相变材料，提升相变材料的热导率和局部对流换热能力。基于优势互补设计理念，本文提出了一种新型翅片—金属泡沫混杂结构，充分利用翅片高导热能力将热量迅速从热源传导至相变材料深处，而后依托金属泡沫丰富的扩展表面将热量高效、均匀的传导至翅片周围的相变材料，实现热量的快速充放。本文通过实验与数值模拟相结合的方法，系统研究了纯石蜡、翅片、金属泡沫、翅片—金属泡沫混杂结构对相变材料的熔化和凝固过程的影响规律，并采用响应面法和田口设计优化结构参数，以提升相变蓄热器的热性能。本文主要工作和结论如下： （1）实验结果表明，纯石蜡的蓄/放热过程呈现出温度分布不均、传热性能差的特点，尤其在熔化凝固末期表现更为显著。翅片结构可增强相变材料的内部温度响应，而金属泡沫则显著改善温度均匀性。混杂结构（翅片—金属泡沫）表现出最优性能，与纯相变材料相比，熔化和凝固时间分别缩短61.6%和82%，熔化和凝固过程的平均温度响应分别提高122.4%和429.8%。 （2）数值模拟进一步分析了不同结构的蓄/放热动力学特性。纯相变材料在熔化和凝固过程中受限于相变区的传热瓶颈，导致凝固时间远长于熔化时间。翅片和金属泡沫结构均能显著提升相变速率，其中金属泡沫在凝固过程中表现尤为突出。混杂结构进一步优化储放热性能，使熔化和凝固时间分别降低83.91%和96.38%，熔化末期平均蓄热率提高466.40%，凝固末期平均放热率提升24.91倍。然而，由于翅片和金属泡沫占据了一定体积，会减少整个蓄热器的蓄能密度，需在设计中权衡体积与传热性能。 （3）针对翅片结构优化，响应面方法表明，熔化过程受热传导和自然对流共同作用，而凝固过程以热传导为主。优化后的翅片间距可缩小难熔区和难凝区的影响，使熔化和凝固时间分别缩短16.94%和45.9%，总熔化—凝固时间减少39.19%，同时平均吸热和放热速率分别提高20.28%和80.23%。研究还发现，优化对凝固过程的强化效果优于熔化过程。 （4）在金属泡沫参数优化中，田口设计方法表明孔隙率对熔化—凝固总时间的影响大于孔密度。金属泡沫弱化了自然对流，尤其在凝固过程中表现明显。降低孔隙率可显著提高热能吸收和释放速率。最优结构为：孔隙率0.97、孔密度30 PPI；与较高孔隙率结构（孔隙率 = 0.99，孔密度 = 30 PPI）相比，熔化—凝固时间缩短67.46%，热能储存和释放效率分别提升199.33%和196.35%。 （5）研究探讨了周期正弦热源对相变蓄热单元传热的影响，并通过Box-Behnken设计优化翅片和金属泡沫参数。优化后的结构使总储放时间缩短29.55%，平均蓄热率和放热率显著提升；其中熔化过程平均蓄热率提高20.74%，凝固过程平均放热率提高65.75%。 本文系统评估了不同结构对相变蓄热器蓄/放热性能的影响，本文设计的翅片—金属泡沫混杂结构展现出最佳综合性能，为高效相变蓄热器设计提供了重要参考。 |
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