摘 要

提高热效率和降低排放一直是内燃机车的研究课题，相变材料的出现及其在其它领域的利用为汽车节能减排提供了新的启示。本文基于COMSOL软件建模仿真，探究了翅片长度和倾角对矩形封闭腔体内相变材料充热性能，即熔化行为的影响。得到以下结论：(1)添加翅片可以促进相变材料的熔化，并且增加翅片长度可以进一步促进相变材料的熔化；(2)下部分翅片倾斜角主要影响中后期的熔化过程，上部分翅片倾斜角主要影响前中期熔化过程；(3)通过合理调节上、下部分翅片的倾斜角度可以促进相变材料熔化，如当上部分翅片倾角为120°或者下部分翅片为120°时都能缩短完全熔化时间。本文研究为强化相变材料熔化传热和汽车节能减排提供了一定的理论基础。

关键词：汽车；相变材料；熔化；倾角；翅片

Abstract

Improving thermal efficiency and reducing emissions are the research topic of internal combustion engine vehicles. The appearance of phase-change materials and their utilization in other fields provide new enlightenment for energy conservation and emission reduction of vehicles. Based upon COMSOL software modeling and simulation, the effects of the fin length and fin angle on the melting characteristics of phase change materials in rectangular closed cavities were simulated. Following conclusions were made: (1) the melting rate of phase change materials can be enhanced by adding fins and extending the length of fins. (2) The inclination of lower fins mainly affects the melting process in the middle and later stages, while the inclination angle of upper fin mainly affects the melting process in the first and middle stages. (3) The melting rate of phase change materials can be accelerated by reasonably adjusting the angle of upper and lower fins. For example, the melting time is shortened when the fins incline to 120°. This study in some extent furnishes the theoretical basis of enhancing melting heat transfer of phase change materials and conserving energy and reducing emissions.

Keywords：vehicles; phase change material; melting; inclination angle; fin

目 录

第一章 绪论 1

1.1背景及意义 1

1.2相变材料 1

1.3相关研究 2

1.3.1小结 3

第二章 物理数学模型 5

2.1物理模型 5

2.2数学模型 5

2.2.1能量方程 5

2.2.2连续性方程 6

2.2.3动量方程 6

2.2.4定解条件 8

第三章 结果与讨论 9

3.1无关性验证 9

3.1.1时间步长无关性验证 9

3.1.2网格无关性验证 9

3.2翅片长度对PCM熔化的影响 10

3.2.1自然对流对PCM熔化的影响 10

3.2.2翅片长度对PCM熔化的影响 14

3.2.3小结 16

3.3翅片全部倾斜 16

3.3.1小结 20

3.4上翅片倾斜 20

3.4.1小结 23

3.5下翅片倾斜 23

3.5.1小结 25

第四章 结论与展望 27

参考文献 28

致 谢 30

第一章 绪论

1.1背景及意义

近年来随着汽车行业的不断发展，汽车行业的石油消耗不断增加。据IEA统计，世界石油消耗份额从1973年到2012年增长了62.2％。目前，95％的私人汽车都是燃油车，汽车行业的巨大能源消耗不仅带来了经济繁荣，同时汽车排放也已经成为环境污染的主要来源之一^[1]。汽车的燃料利用率并不高，从汽车所用发动机的热平衡来看，用于动力输出的功率一般只占燃油燃烧总热量的30%～45%(柴油机)或20 %～35%(汽油机)^[2]，其余大部分能量都散失或排放到大气中，造成了能源极大浪费和不良的环境危害。另外，对于道路测试循环，内燃机车冷起动和暖机排放的污染物如CO、HC和NOx约占总循环排放的一半以上。汽车的排放越来越受到人们和政府的关注，越来越严格的排放法规也相继出台，甚至已有国家出台了燃油车退出汽车市场的年限的政策。电动车在近些年得到了飞速的发展，似乎已经成为汽车行业未来发展的方向。这些无不都反映了内燃机在排放和能源利用率方面的不足。因此，如何高效回收再利用废热和降低冷起动排放已成为汽车节能减排领域的重点研究课题。基于此，有学者提出了一种回收发动机冷却液余热的车用潜热蓄热系统(Latent Heat Thermal Energy Storage System, LHTESS)，这种蓄热系统利用了相变材料(Phase Change Material, PCM)在熔化过程中储存大量的能量而温度变化较小的特点。利用相变蓄热技术将排放到大气环境中的高品位的汽车余热进行回收利用，是实现汽车节能，降低汽车能源消耗的一个有效途径。所谓相变蓄能技术就是把不连续的、不稳定的热量暂时储存起来，在需要的时候再释放出去，用于解决热能供给和补充，它是提高能源利用率和保护环境的一项重要技术。

1.2相变材料

蓄热方式主要分为化学能转换式、显热式和潜热式三类。本文选取基于相变材料PCM的潜热蓄热式。相变材料在熔化和凝固时会吸收和释放大量能量，物质在这一变化过程中吸收或释放的能量称为相变潜热。总的来说PCM分为有机材料和无机材料两大类，有机材料包括石蜡类和非石蜡类，无机材料包括盐及其水合物、盐复合材料和金属合金类。PCM的重要参数包括相变潜热、相变温度、导热系数、比热容、膨胀系数等。尽管PCM很多的熔点和潜热都能满足条件，但是PCM的低热导率严重限制了其应用，常用的强化PCM传热的方法有：(1)采用翅片管结构；(2)在PCM中插入一个高导热的金属模型；(3)采用分散的具有高导热性的PCM粒子；(4)使用微胶囊结构。相变蓄热器在电力削峰填谷和太阳能方面应用较多，但是在汽车上应用较少，还有待研究。

1.3相关研究