《Case Studies in Thermal Engineering》：Thermo-mechanical behavior of clays: Divergent responses of kaolinite and montmorillonite in temperature-controlled shear tests
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本文針對單罐單源熔鹽儲熱系統(tǒng)在加熱過程中存在的熱分層與局部過熱問題，提出一種集成環(huán)形翅片的被動流動控制策略。研究人員通過建立三維瞬態(tài)CFD數(shù)值模型，系統(tǒng)研究了環(huán)形翅片徑向?qū)挾龋╤ring）和數(shù)量（Nring）對熔鹽自然對流強(qiáng)度、羽流演化及溫度均勻性的影響。研究結(jié)果表明，環(huán)形翅片可有效破壞熱邊界層、抑制熱羽流快速上升，強(qiáng)化罐底流體混合。優(yōu)化后的翅片構(gòu)型（hring=0.055m, Nring=9）可將儲熱時長延長54.52%，顯著改善溫度分布的均勻性。該研究為高效、緊湊的單罐熔鹽儲熱系統(tǒng)設(shè)計提供了重要理論依據(jù)與技術(shù)指導(dǎo)。
在全球能源結(jié)構(gòu)加速轉(zhuǎn)型和“雙碳”目標(biāo)持續(xù)推進(jìn)的大背景下，高效、穩(wěn)定的儲能技術(shù)已成為實現(xiàn)可再生能源大規(guī)模并網(wǎng)、保障電網(wǎng)穩(wěn)定運行的關(guān)鍵。其中，熔鹽儲熱（TES）系統(tǒng)憑借高能量密度、優(yōu)良的熱穩(wěn)定性和成本效益，被視為實現(xiàn)深度脫碳的核心技術(shù)，在太陽能光熱發(fā)電、電網(wǎng)調(diào)峰、區(qū)域供熱等領(lǐng)域展現(xiàn)出廣闊的應(yīng)用前景。然而，在結(jié)構(gòu)緊湊、占地面積小的單罐熔鹽儲熱系統(tǒng)中，由于熔鹽密度與溫度呈反比關(guān)系，運行中容易形成顯著的熱分層現(xiàn)象——即儲罐上部形成高溫區(qū)，底部形成低溫區(qū)，產(chǎn)生明顯的溫度梯度。這不僅限制了系統(tǒng)的整體充熱速率和儲熱容量利用率，還會導(dǎo)致局部過熱等問題，成為制約此類儲熱技術(shù)效率提升的“攔路虎”。為了攻克這一難題，上海電氣集團(tuán)股份有限公司的研究團(tuán)隊進(jìn)行了一項創(chuàng)新性研究，其成果發(fā)表在《Case Studies in Thermal Engineering》期刊上。他們獨辟蹊徑，不再將翅片僅僅視為增加換熱面積的“表面積擴(kuò)展器”，而是將其視為控制流體流動的“閥門”，首次系統(tǒng)地研究了環(huán)形翅片在單源熔鹽儲熱系統(tǒng)中的“流動控制”機(jī)制。
研究人員為回答環(huán)形翅片如何優(yōu)化單源熔鹽儲熱性能這一問題，主要運用了以下幾個關(guān)鍵技術(shù)方法：首先，建立了基于基本守恒定律的瞬態(tài)三維計算流體動力學(xué)（CFD）模型，并進(jìn)行了實驗驗證，以模擬單相瞬態(tài)加熱過程。其次，構(gòu)建了詳細(xì)的物理模型，該模型包含一個內(nèi)徑0.45米、總高0.90米的圓柱形儲罐，罐內(nèi)熔鹽填充高度為0.80米，插入一個2 kW的單根電加熱棒。在加熱棒上集成了由不銹鋼制造的環(huán)形翅片，并系統(tǒng)性地改變其徑向?qū)挾龋╤ring，從0.005m到0.12m）和數(shù)量（Nring，從3到13），以研究其參數(shù)影響。模型采用了簡化的假設(shè)，如罐壁絕熱、流動為層流等，并應(yīng)用了對稱邊界條件以減少計算成本。最后，通過數(shù)值求解質(zhì)量、動量和能量守恒方程，對自然對流、羽流演化和溫度分布進(jìn)行了詳細(xì)的參數(shù)化分析，并計算了表征對流強(qiáng)度的平均瑞利數(shù)（Rafin）和表征換熱效率的平均努塞爾數(shù)（Nufin）。
研究結(jié)果
1. 環(huán)形翅片徑向?qū)挾鹊挠绊?/strong>
研究人員首先研究了在固定翅片數(shù)量（N
ring=3）時，不同徑向?qū)挾葘徇^程的影響。結(jié)果顯示，環(huán)形翅片的核心作用是“抑制加熱棒表面熱羽流的快速上升”。翅片作為一個物理屏障，迫使垂直上升的熱羽流在遇到翅片時改變流向，產(chǎn)生水平運動并形成局部回流渦。隨著翅片徑向?qū)挾龋╤
ring）增加，這種“阻擋效應(yīng)”顯著增強(qiáng)。更寬的翅片能誘發(fā)出更大尺度的局部渦流，在翅片上方形成更明顯的溫度“平臺區(qū)”，這個平臺區(qū)就像一個局部的“熱蓄水池”，減少了局部溫度梯度，削弱了浮升力驅(qū)動的流動，從而有效抑制了熱量向上部區(qū)域的快速輸運。因此，增加h
ring可以延緩頂部監(jiān)測面達(dá)到熔鹽分解溫度的時間，即延長儲熱時長。然而，這種延長并非通過增強(qiáng)局部換熱實現(xiàn)，寬翅片雖然增加了總換熱面積，但也降低了局部的瞬時對流強(qiáng)度和換熱效率（表現(xiàn)為Ra
fin和Nu
fin隨h
ring增加而降低），其本質(zhì)是通過犧牲局部換熱速率，換取整個儲罐更均勻、更充分的儲熱效果。參數(shù)分析表明，儲熱時長的提升率隨h
ring增加而增加，但當(dāng)h
ring超過0.055米后，進(jìn)一步的提升已十分有限。考慮到材料成本、安裝和維護(hù)等因素，研究確定h
ring=0.055米為最優(yōu)徑向?qū)挾取?/div>
2. 環(huán)形翅片數(shù)量的影響
在確定了最優(yōu)徑向?qū)挾龋╤ring=0.055m）后，研究人員進(jìn)一步探究了翅片數(shù)量（Nring）的影響。增加翅片數(shù)量，本質(zhì)上是在加熱棒上設(shè)置了更多、更密集的“流動障礙”。研究結(jié)果表明，更多的翅片能更頻繁地擾動和偏折上升的熱羽流，在罐底區(qū)域激發(fā)更強(qiáng)烈的自然對流，從而顯著加快底部熔鹽的溫升速度，并抑制熱量過早地向罐頂輸送。然而，這種正面效應(yīng)并非無限遞增。當(dāng)翅片數(shù)量過多（如Nring=13）時，過于密集的翅片間距導(dǎo)致在儲熱中后期，靠近上部翅片的尖端會形成持續(xù)的向上羽流，這可能反過來削弱對上部區(qū)域自然對流的抑制效果。同時，翅片數(shù)量的增加使得熔鹽內(nèi)部形成了更多、更集中的溫度“平臺”，但單個平臺的垂直范圍變窄。對比發(fā)現(xiàn)，與增加翅片寬度相比，增加翅片數(shù)量在延長儲熱時長方面更為有效。
3. 綜合優(yōu)化與最佳構(gòu)型
綜合以上對徑向?qū)挾群蛿?shù)量的參數(shù)研究，研究人員找到了延長儲熱時長和改善溫度均勻性的最佳翅片構(gòu)型：hring=0.055米，Nring=9。與無翅片的單源加熱系統(tǒng)相比，該優(yōu)化構(gòu)型將儲熱時長顯著延長了54.52%。這主要歸功于多個翅片形成的協(xié)同“流動控制”機(jī)制：它們像一系列精心布置的“湍流發(fā)生器”，連續(xù)地破壞熱邊界層，迫使熱羽流反復(fù)轉(zhuǎn)向，在加熱棒周圍和罐底區(qū)域形成強(qiáng)烈的多級渦旋，極大地增強(qiáng)了流體混合，將熱量更有效地“攪拌”并儲存在整個儲罐體積內(nèi)，而非僅僅積聚在頂部，從而有效緩解了局部過熱，實現(xiàn)了顯著更均勻的溫度分布。
結(jié)論與意義
本研究通過系統(tǒng)的數(shù)值模擬，揭示并量化了環(huán)形翅片在單源熔鹽儲熱系統(tǒng)中作為一種被動流動控制元件的關(guān)鍵作用。與以往在相變材料（PCM）中主要將翅片用作“導(dǎo)熱增強(qiáng)器”的思路不同，本研究首次從“流動控制”的新視角出發(fā)，闡明了環(huán)形翅片通過破壞熱邊界層、偏折熱羽流和誘導(dǎo)多級渦旋三種耦合機(jī)制來抑制熱分層的作用原理。研究明確了“增加翅片數(shù)量以增強(qiáng)流動擾動頻率”比“單純增加翅片徑向?qū)挾纫詳U(kuò)大換熱面積”更能有效延長儲熱時長，澄清了兩者之間的競爭機(jī)制。所獲得的最佳翅片構(gòu)型（hring=0.055m, Nring=9）為單罐熔鹽儲熱系統(tǒng)的工程設(shè)計提供了具體、可量化的優(yōu)化方案。這項工作不僅為解決熔鹽儲熱系統(tǒng)中的熱分層和局部過熱難題提供了一種高效、低成本且易于實施的被動解決方案，更重要的是，它推動了翅片在熔鹽這類以自然對流為主導(dǎo)的高普朗特數(shù)流體中的應(yīng)用范式轉(zhuǎn)變，即從“擴(kuò)展面積”轉(zhuǎn)向“調(diào)控流動”，為未來開發(fā)更高效、更緊湊的熔鹽儲熱裝置奠定了重要的理論基礎(chǔ)，對推動可再生能源的高效利用和儲能技術(shù)的發(fā)展具有重要的理論和工程應(yīng)用價值。
