有限元分析在相变材料中的应用研究综述

发布时间：2021-01-15 15:03

　　相变材料由于能够在相变过程中释放和储存大量的能量,已经成为储能领域的热门话题之一。单一相变材料存在热导率低、能量易泄漏等缺点,不能满足实际生产需要,因此常常将相变材料与其他材料复合,从而提升其性能。针对储能系统中相变材料传热较差的情况,介绍了传热的方式以及强化传热的手段。热性能是相变储能系统的重要性能之一,而相变过程是高度非线性的瞬态过程,普通仪器和常规方法难以解决分析问题。已有研究表明,应用有限元数值模拟软件能够分析此类问题,并能得出准确的解。因此,综述了有限元的基本概念和模拟过程,并列出了相关应用案例。 

【文章来源】：新技术新工艺. 2020,(11)

【文章页数】：5 页

【部分图文】：

潜热相变材料应用于建筑材料的示意图

划分网格：划分网格的目的是为了用含有节点和单元的有限元模型代替几何模型。网格分为四面体网格和六面体网格（见图2）。对于复杂的结构模型，四面体网格更适用。网格划分需要选择合适的尺寸，网格的尺寸越小，计算结果越精确，计算时间越长。一般而言，当选择的网格尺寸在模拟结果中呈现红色网格在局部区域中占连续3行或3列及以上时，其网格尺寸较为合适，模拟结果相对准确。目前，很多有限元软件有自适应网格划分功能，即在原有网格基础上，根据有限元计算结果估计计算误差、重新划分网格和再计算的一个循环过程。求解设置和模拟结果如下。

相变问题是非线性瞬态热分析问题[14]。它与线性瞬态热分析的区别在于要考虑相变过程中潜热的吸收和释放，常规手段难以求出准确的解。然而有限元分析可以解决此类问题。如Si等[15]在室外沥青混合料模型的基础上，应用ANSYS软件建立了相应的有限元模型，根据实测的沥青混合料比热容、密度、热导率确定了有限元模型内的温度分布，以及用于确定边界条件的气象数据。将计算温度值与实测温度值进行比较。结果表明，计算得到的温度值与实测值吻合较好，验证了材料参数和边界条件的准确性。相变过程中温度与焓的关系如图3所示。相变材料发生相变时能调节材料及材料周围的温度，可以应用于建筑材料领域。然而，相变后建筑材料内部会出现温度分布不均的现象，容易开裂。常规的测试手段很难定量分析建材内部温度分布情况。有限元数值模拟可以通过边界条件设置和控制方程来模拟相变材料和建筑材料的温度状况。国内外学者对此都有相关的研究。如Kong等[16]应用ABAQUS软件模拟了封装相变材料在砂浆板内的温度分布（见图4）。他们对不同形状的胶囊、石蜡用量和胶囊位置的影响进行了参数化研究。结果表明，圆柱形和球形胶囊具有相似的热响应，而板形胶囊可能会导致砂浆板内温度分布不均匀。石蜡的用量和位置对砂浆板也有显著影响：石蜡含量较高会导致石蜡相变过程中出现温度滞后现象，在远离受热面的地方会导致另一面的温度滞后较长。张毅等[17]通过3D焓法有限元模型，证明了掺入脂肪酸能够降低石膏板冷面的升温速率，提高石膏板的储热能力。

【参考文献】：
期刊论文
[1]相变储能石膏板传热过程测试及有限元分析[J]. 张毅,冯春花,刘洋,张菁燕,李东旭.  太阳能学报. 2015(08)
[2]一种热传导过程的计算机仿真及可视化方法[J]. 许亚瑞,董晓芬,庞明勇.  系统仿真学报. 2014(05)
[3]浅谈我国的能源现状及能源对策[J]. 柴生高.  中国外资. 2011(22)
[4]基于ANSYS有限元方法对相变材料相变过程的分析[J]. 郭志强,吴文健,满亚辉,吴晓森.  新技术新工艺. 2007(11)

硕士论文
[1]复合相变储热材料的性能研究[D]. 陈龙.哈尔滨工程大学 2017



本文编号：2979076