圆管内相变微胶囊悬浮液对流换热关联式研究

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相变微胶囊悬浮液（微胶囊相变材料浆料，MPCMs）是微胶囊相变材料与载体按一定比例的混合物。相变材料在相变过程中具有较大的相变潜热，可以增加悬浮液的对流换热系数，并且相变过程可以吸收或释放大量的热量，因此可以降低悬浮液的对流换热系数。温度变化程度[1,2,3,4]。目前，MPC在机械、建筑节能[5]、余热利用、航空航天、精密电子[6]和暖通空调[7,8,9,10]以及纺织服装[11]等领域有着巨大的应用。 12，13]应用前景。

目前，MPCs对流传热特性的研究主要基于实验和数值模拟。

实验方面，Charunyakorn[14]于1991年对MPCs圆管内的传热特性进行了实验研究，结果表明，增加MPCs的质量分数、增大相变潜热具有增强对流热的作用。转移。 1994 年，戈埃尔等人。 [15]进一步开展了等热流边界条件下MPCs圆管内层流的实验研究。结果表明，Ste数对传热效果有显着影响。 2009 年，Zeng 等人。 [16]对MPCM圆管内的对流换热特性进行了实验和数值模拟。结果表明，斯蒂芬数（Ste）是影响努塞尔数（Nu）涨落曲线的重要参数，雷诺数（Re）也影响Nu，但与相变过程无关。 2012年，张等人。 [17]分析了矩形储热罐中MPCM 的自然对流换热特性。结果表明，相变促进了自然对流传热。 2014年，宋等人。 [18]发现热流密度也会影响MPCM的对流换热效果。 2019 年，Qiu 等人。 [19]利用GQD和纳米铝对MPPCM进行改性，使MPPCM成为稳定性更好、传热性能更好的导热流体。同年，杜特科夫斯基等人。 [20]建立了MPCM的动态粘度模型，可以更好地预测粘度与温度之间的关系。德里西等人。 [21]研究了MPCM的耐久性能，结果表明，反复吸热释放后，由于相变材料的泄漏，潜热略有下降。上述实验准确分析了影响MPCMs对流换热强度的因素。但由于测量点数量有限，无法完全掌握流场和温度场的信息。

在数值模拟方面，Lu和Bai[22]于2004年提出了分析MPCs对流传热的新模型并进行了模拟。结果表明，随着Re的增加或Ste数的减少，对流换热能力也随之增加。 2006年，郝锐等人。 [23]采用等效比热法研究了圆管内MPC的层流对流换热。结果表明，管内层流传热受斯蒂芬数和微胶囊颗粒质量分数两个因素的影响较大。 2009年，金健等人。 [24]采用等效比热法对MPCMs在光滑管道中的流动和传热进行数值模拟。结果表明，传热效果随着斯蒂芬数的减小而增大。 2016 年，Ma 等人。 [25]分析了MPPCM颗粒尺寸对传热的影响，并对不同入口速度下MPPCM的传热性能进行了数值模拟。同年，Kong 等人。 [26]分析了螺旋线圈中MPCM的性能特征，得出结论：与非相变阶段相比，相变阶段的努塞尔数显着增加。 2020 年，Qiu 等人。 [27]对等热流圆管内MPCM 层流换热入口处流体不同过冷度进行了数值模拟。结果表明，入口截面过冷度对Nu数影响不大。

1. 数值模型

1.1 网格介绍

图1 圆管模型示意图

1.2 边界条件

MPCMs流体入口为速度入口，流速为0.39m/s，入口温度为283.2K，出口为自由流出。管壁在等热流条件下，其热流大小分别为10103W/m2、11546W/m2、12990W/m2、14433W/m2、15876W/m2、17320W/m2、18763W/m2。所有MPCM 流体均为十六烷溴化物相变微胶囊悬浮液，质量分数分别为5%、10% 和15.8%。其物理特性见表1。

1.3 等效比热模型

当相变微胶囊的温度处于相变区时，定压比热容会显着增加。文献[28,29]给出了相变微胶囊悬浮液的四种等效比热模型，分别为矩形和正弦曲线。左三角形，右三角形。如图2所示。

表1 相变微胶囊悬浮液物理参数

图2 等效比热容的四种模型

其当量比热计算公式为式（1）。

2 结果与讨论

2.1 结果比较

图3 数值模拟正确性验证

图4为数值模拟结果的纵截面温度云图，其中白点位置为测温点。云图内侧较暗的位置为固体区域，其温度低于相变发生温度；外侧灰色位置为液体区域，其温度高于相变结束温度；相变区域位于固体区域和液体区域之间，其温度介于相变发生温度和相变结束温度之间。从图4可以看出，液体区域随着流动而逐渐变厚，固体区域随着流体流动而逐渐变窄。

图4 温度分布曲线

2.2 数值模拟结果

在不改变流体流量、入口温度和质量分数的情况下，不同热流密度下的Nu数与x+（尺寸为1轴向长度）的关系如图5所示。从图中可以看出，Nu数量沿圆管轴向方向逐渐减少；随着热流密度的增加，Nu数略有减小。

在不改变流体流量、入口温度和热流密度的情况下，当质量分数分别为5%、10%和15.8%时，Nu数与x+的关系如图6所示。从图中可以看出： Nu数沿圆管轴向方向逐渐减小；随着MPCM 质量分数的增加，Nu 值略有增加。

图中横坐标为尺寸为1的轴长x+，其定义如式（2）所示。

图5 不同热流密度MPCM内对流换热模拟结果

图6 不同质量分数MPCMs对流换热模拟结果

2.3 实验关联

2.4 实验相关性的普遍性

图7 改变条件后结果对比

三、结论

符号解释