分形流道玄武岩纤维束拓扑结构传热优化研究文献综述

1. 选题背景和意义：

玄武岩纤维作为储能材料具有超过PCM的储能密度，具有良好的可加工性，热化学稳定性和较低成本，是一种很有潜力的显热储能材料。由玄武岩纤维编织成小纤维束，进一步排列成具有分形拓扑结构的纤维束群，通过尺寸、形状、储能微元排列的拓扑结构优化进行传热强化，可以显著提高单位质量的充放热功率，有广泛的应用前景。

玄武岩纤维束内部流道尺度在微米级，由于稀薄气体效应，一些基于连续介质假设而建立的方程不再完全适用，由于尺度效应，宏观实验得到的对流换热系数经验关联式直接应用在微细纤维上不再准确，需要加以修正。因此，本课题将使用数值模拟的方法对玄武岩纤维束内部微米级尺度流道进行对流换热系数的修正。

同时，由于玄武岩纤维束群的分形拓扑结构，其换热效率受到很多因素的影响，包括纤维间距，相似比等参数，为进一步加强纤维束群与空气的换热，本课题将综合分析多约束条件对其传热的影响，并提出传热优化的方法。

二、课题关键问题及难点：

本课题主要任务为对玄武岩纤维束微米级尺度流道的对流换热系数的修正和对分形流道拓扑结构进行传热优化分析。

纤维束对流换热系数的修正的关键在于使用FLUENT模拟时网格的质量、使用udf编程方法对壁面的速度滑移和温度跳跃边界条件进行修正，以及得到模拟结果之后合适的数据处理方法。难点在于纤维束内部流体部分的网格绘制，以及udf编程的修正。

分形流道拓扑结构的传热优化分析的关键在于综合分析多约束条件对传热的影响，难点在于分析对比不同影响因素对传热影响的程度以及对多因素综合优化的方法。

三、文献综述（或调研报告）：

固体显热成本低、材料易获得，其热量来源可以是太阳能等天然清洁能源，有广泛应用场景^[1]。玄武岩有着优异的力学性能、耐高温且成本低。^[2]使用玄武岩纤维组成纤维束，其比表面积很大，且纤维内部热阻几乎可忽略不计，因此可以在流体横掠纤维束时具有较大的换热量。因此，玄武岩纤维束可以不以降低储能密度为代价的同时具有较好的传热性能，是一种极具潜力的显热储热材料。

玄武岩纤维束中，纤维与纤维之间的流道尺度处于微米级。微细尺度通道内的流动与传热会与常规传热出现不同的特点，即尺度效应。^[3] 尺寸效应对微通道、流动和传热的物理机制可分为两类：（1）当物体的特征尺度缩小至与载体粒子（分子、原子、电 子、光子等）的平均自由程同一量级时，基于连续介质假设而建立的许多宏观概念和规律就不再适用，N-S方程和Fourier导热方程等也不再适用。（2）当特征长度减小时，即使连续体假设仍然有效，主导因子的变化也会影响各种现象对流动和拍频传递的相对重要性。由于微通道的比表面积较大，与比表面积有关的因素对微尺度流动和传热的影响较大。Clark等人^[4]发现在微通道中，通道壁厚与通道的当量直径数量级相当，甚至数值相差不多，因此不能像常规换热一样忽略轴向导热效应的影响。