相變儲熱技術具有儲熱密度高、工作溫度穩定、大規模化成本低等優勢，在工業余熱回收、可再生能源利用和低碳建筑等領域具有廣闊的應用前景，對實現能源轉化與利用過程的節能增效，助力“雙碳”目標的達成具有重要意義。然而，一般相變材料（特別是石蠟等有機類中低溫相變材料）的低熱導率會嚴重影響儲熱系統的熱響應速率和功率密度，制約了相變儲熱技術的應用與發展。

在熔化（充熱）過程中，根據固體相變材料是否有外力固定可分為約束熔化和非約束熔化兩大類。以典型球形容器內的非約束熔化過程為例，在重力作用下未熔化固體相變材料由于密度較大會持續下沉，與下半球底部區域的加熱壁面保持接觸，之間僅由一層熔融的相變材料薄液膜隔開，從而形成所謂的接觸熔化狀態。在接觸熔化過程中，傳熱由穿過薄液膜的導熱占主導；由于液膜厚度極薄（一般在微米級厚度），其整體熱阻很小，故在接觸熔化區域內可以顯著減小傳熱阻力，從而極大提升充熱速率（可縮減時長30%-80%）。

因此，在不同的儲熱場景中充分利用接觸熔化機制是實現相變儲熱系統“快充”的一種可行途徑。該方法具有不增加額外能耗且適用于任意構型的容器的顯著優點，但由于其在流動與傳熱機理上本質的跨尺度復雜性，目前尚未得到充分的理解和運用。有鑒于此，本文系統回顧了接觸熔化相關的理論、試驗和模擬工作，重點介紹了接觸熔化的基本原理、應用現狀和強化手段，分析和概述了接觸熔化機制應用于相變儲熱系統的挑戰。在此基礎上，論文最后對發展基于接觸熔化機制實現熱能“快充”的相變儲熱系統進行了展望。

【文章簡介】

1、兩種接觸熔化模式的簡要概述

接觸熔化可分為相變材料驅動和熱源驅動兩種模式。如上所述的在儲熱系統加熱容器/換熱器中發生的接觸熔化過程就是典型的相變材料驅動模式，其主要發生場景還有食品加工和電子器件熱管理等。在這一模式中，由于剩余固體的重量不斷減少，使得微液膜的厚度會持續變化，因此導致接觸熔化區域內的傳熱速率也隨之動態改變。

熱源驅動模式則通常出現于核反應堆堆芯熔融、冰層鉆探和減材制造等場景，過熱壁面持續熔化固體，并在外加推進力的驅動下保持移動，以形成特定路徑的通道。由于這一模式中驅動力通常保持恒定，接觸熔化區域內的微液膜厚度也基本保持不變，因而具有穩定的傳熱速率。

2、接觸熔化現象的機理研究

為了避免容器內非接觸熔化區域自然對流的干擾，研究者們通常采用在平面上進行加熱試驗，以探究相變材料驅動模式下的接觸熔化過程機理。利用量綱分析和建立復雜非線性微分方程組等方法，得到了一系列在不同參數條件和模型假設下的理論解析結果。大量模型預測和試驗結果證明，在斯蒂芬數小于0.1的條件下，接觸熔化區域液膜內的對流效應可以被忽略，傳熱形式為微液膜內的導熱過程。過往研究對加熱壁面與微液膜間的傳熱、剩余固體相變材料與微液膜間的傳熱、相變材料的物性變化以及離心力和電磁力強化作用等影響因素進行了研究。然而，現有的理論研究尚未對模型假設的合理性達成一致，也缺乏對加熱表面形貌結構、相變材料復雜流變特性和高過熱度條件（斯蒂芬數小于0.1不再成立）等影響規律的系統研究。

3、儲熱單元中接觸熔化的試驗和理論研究

相變儲熱單元的經典構型可主要分為圓柱形（或橢圓形）、球形或矩形。在非約束熔化發生過程中，可將容器內的熔融液體分為接觸熔化區域和非接觸熔化區域。接觸熔化區域內主要通過導熱形式進行熱量輸運；而非接觸熔化區的體積會隨著熔化進行顯著增大，因此傳熱形式會從導熱輸運轉變為自然對流輸運。不同容器構型內的接觸熔化試驗和理論研究均已證明，接觸熔化區域的傳熱速率相比于非接觸熔化區域高出至少一個數量級。因此在容器內充分利用接觸熔化現象可以極大增強傳熱速率，減少熔化（充熱）時間。

4、基于接觸熔化機制設計儲熱單元的數值方法

通過數值模擬方法再現容器內的接觸熔化過程，對于設計和優化基于接觸熔化機制的相變儲熱裝置具有重要意義。由于接觸熔化區域的特征尺寸和容器尺寸相比通常相差幾個數量級，具有本征的跨尺度特性，因此上世紀80年代的早期相關研究中為了充分利用有限的計算能力，建立了半解析半模擬的計算方法。隨著無網格追蹤相界面焓法的建立和利用，有研究者提出了在焓法框架中添加力平衡方程或使用浮力項的方法，以實現模擬固液相變過程中剩余固體重力沉降過程。隨著計算流體力學的發展，特別是以ANSYS Fluent為代表的商業軟件的廣泛使用，大量研究者使用基于焓-孔隙率模型的內置模塊以模擬固液相變過程，通過設置固液相密度差的方式來實現接觸熔化過程。然而由于焓-孔隙率模型具有較多的經驗參數以及相變材料固液相密度的溫度依賴性，并不能準確捕捉接觸熔化相界面。近年來為了提高準確性和收斂性，出現了一些基于改進焓法的接觸熔化模擬框架構建工作，以更精確模擬接觸熔化區域的相界面演化和熔化速率。

5、基于接觸熔化機制的進一步強化傳熱方法

隨著對接觸熔化現象的深入了解，充分利用接觸熔化機制并耦合其他方式強化接觸熔化區域傳熱可以進一步提高相變儲熱系統的充熱速率。此類研究工作可分為兩條路徑，一是通過構型設計形成更大面積的接觸熔化區域，二是進一步減小接觸熔化區域的熱阻。針對前一思路，目前已有工作通過合理布置Y型、螺旋型等不同形狀的翅片，在儲熱單元內形成了大面積接觸熔化區域，實現了減少熔化時間達到60%-80%的優秀效果。針對第二種思路，目前已有研究工作通過利用振動、電磁場、添加納米顆粒和制造功能加熱表面等方式，實現了進一步降低接觸熔化區域等效熱阻的效果。

【總結與展望】

基于接觸熔化機制的相變儲熱系統具有高充熱速率、適用于任意構型容器、可與其他強化傳熱方式耦合以及無額外成本等優勢。通過設計功能加熱表面、增加接觸熔化區域面積、施加額外作用力和改性相變材料等方式可進一步增強接觸熔化區域內的傳熱性能。然而，目前還缺乏對接觸熔化過程在復雜流變特性、加熱表面形貌結構和運行工況等條件下的規律認知，也尚缺乏接觸熔化過程在充/放能循環過程中實現可持續重復和可控觸發的應用研究。此外，精確模擬儲熱單元內接觸熔化過程的計算成本仍較高，還需要開發更高效、經濟和用戶友好型的數值計算框架，以輔助設計下一代基于接觸熔化機制的“快充”型相變儲熱系統。

【論文全文】

網址（在線發表，2022年1月10日可前免費獲取）：

https://authors.elsevier.com/a/1e77y4s9Hw2Fvz

DOI:https://doi.org/10.1016/j.rser.2021.111918

【團隊簡介】

第一作者-胡楠

浙江大學能源工程學院熱工與動力系統研究所2018級直博生，師從范利武研究員。主要從事相變儲熱與土壤熱修復過程中的微尺度多相流動傳熱特性研究，以第一/共同通訊作者在Renewable and Sustainable Energy Reviews、International Journal of Heat and Mass Transfer、ASME Journal of Heat Transfer和Energy等國際傳熱與能源領域的權威期刊上已發表論文9篇，受邀擔任多個高水平國際期刊和國際會議的獨立審稿人。曾任浙江大學博士生會執行主席，獲浙江大學竺可楨獎學金、浙江省“十佳大學生”、浙江大學“十佳大學生”等獎勵榮譽。

通訊作者-范利武

浙江大學能源工程學院“百人計劃”研究員、博士生導師，浙江省杰出青年科學基金獲得者，入選浙江省“151人才工程”。現為能源清潔利用國家重點實驗（浙江大學）固定成員，任熱工與動力系統研究所副所長。

長期從事能源轉化、利用與存儲過程中的復雜多尺度相變傳熱傳質與流動現象研究，重點關注微納結構材料及界面在宏觀熱質輸運強化中的應用及其微觀機理，主要涉及固液相變傳熱、沸騰與凝結傳熱、微納尺度傳熱以及多孔介質傳熱傳質等方向。已在Science Advances、ACS Nano、Journal of Materials Chemistry A、Renewable and Sustainable Energy Reviews以及Advances in Colloid and Interface Science等高水平國際期刊上發表論文115篇，其中國際傳熱學領域兩大權威期刊International Journal of Heat and Mass Transfer和ASME Journal of Heat Transfer共48篇。論文被SCI他引3500余次，4篇入選ESI高被引論文，H-index為31。曾獲第14屆吳仲華優秀青年學者獎，并入選斯坦福大學頒布的2021年度全球前Top 2%頂尖科學家“生涯影響力”和“年度影響力”兩大榜單。