肖俊兵，鄒博，莊依杰，劉臣臻，李傳常，陳薦,

(1.長沙理工大學(xué) 能源與動力工程學(xué)院，湖南 長沙，410114；2.廣東工業(yè)大學(xué) 環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，廣東 廣州，510006；3.河北工業(yè)大學(xué) 能源與環(huán)境工程學(xué)院，天津，300401；4.可再生能源電力技術(shù)湖南省重點實驗室，湖南 長沙，410114)

相變儲熱技術(shù)通過相變材料(PCM)的相態(tài)轉(zhuǎn)變實現(xiàn)熱能的儲存和釋放，具有儲熱密度大、工作溫度波動幅度小、工藝簡單成熟等特點[1]，廣泛應(yīng)用于太陽能光熱發(fā)電、可再生能源電力消納、余熱回收利用等領(lǐng)域以協(xié)調(diào)能源供求時間和空間上的平衡問題。當(dāng)前，制約固液相變儲熱發(fā)展的主要問題是相變材料的導(dǎo)熱系數(shù)低且易發(fā)生泄漏。PCM 導(dǎo)熱系數(shù)低會導(dǎo)致熱量無法迅速傳遞到復(fù)合相變體系整體區(qū)域，產(chǎn)生熔化不均勻現(xiàn)象，增大相變界面處流動阻力和傳熱熱阻，影響相變儲熱裝置的熱響應(yīng)速率和溫度均勻性。為實現(xiàn)復(fù)合相變體系的高效儲熱與傳熱，研究者常在PCM 中添加納米顆粒[2]、多孔泡沫[3]等以提高固液相變材料導(dǎo)熱性能。使用納米顆?？捎行娀瘡?fù)合相變體系導(dǎo)熱性能，但在相變過程中，添加劑會出現(xiàn)沉降與相分離等現(xiàn)象，影響強化導(dǎo)熱實際效果，具有高導(dǎo)熱系數(shù)、大孔隙比表面積、高孔隙率等特點的泡沫金屬因其孔隙結(jié)構(gòu)形成的快速導(dǎo)熱通道及毛細(xì)吸附作用，與相變材料結(jié)合構(gòu)建泡沫金屬復(fù)合相變體系，能快速傳遞熱量和提高儲熱密度，是目前提高復(fù)合相變體系導(dǎo)熱性能的重要手段[4]。根據(jù)孔隙結(jié)構(gòu)的不同，泡沫金屬分為開孔泡沫金屬和閉孔泡沫金屬。開孔泡沫金屬孔隙之間相互連通，允許流體通過，而閉孔泡沫金屬內(nèi)部孔隙互相獨立，互不連通。在相變儲熱研究及應(yīng)用中，常采用鋁、鎳、銅等材質(zhì)的開孔泡沫金屬以提高復(fù)合相變體系導(dǎo)熱性能。將開孔泡沫金屬與導(dǎo)熱系數(shù)低的PCM 相結(jié)合，可提高復(fù)合相變體系等效導(dǎo)熱系數(shù)，使復(fù)合相變體系具有良好的導(dǎo)熱性能與較高的儲熱密度。

1 泡沫金屬復(fù)合相變體系等效導(dǎo)熱系數(shù)預(yù)測

等效導(dǎo)熱系數(shù)是表征泡沫金屬復(fù)合相變體系導(dǎo)熱性能的關(guān)鍵參數(shù)。等效導(dǎo)熱系數(shù)的測量方法分為穩(wěn)態(tài)法和非穩(wěn)態(tài)法。穩(wěn)態(tài)法包括平板法和熱流計法，非穩(wěn)態(tài)法包括瞬態(tài)熱線法、瞬態(tài)平面熱源法、探針法和激光法等。泡沫金屬復(fù)合相變體系等效導(dǎo)熱系數(shù)主要采用瞬態(tài)熱線法測量，因為瞬態(tài)熱線法測量時間短，使用范圍寬，精度高，并且可以避開對流的影響[5]。測量時需保證密封環(huán)境，在測試過程中要保證溫度波動盡量小。常用混合規(guī)則粗略估計復(fù)合相變體系等效導(dǎo)熱系數(shù)keff，計算公式如下[6]：

式中：ε為泡沫金屬孔隙率；kf為泡沫金屬導(dǎo)熱 系數(shù)，W·m-1·K-1；kPCM為相變材料導(dǎo)熱系數(shù)，W·m-1·K-1。

為預(yù)測添加泡沫金屬后復(fù)合相變材料的等效導(dǎo)熱系數(shù)，研究者基于邊界模型和晶胞分析模型提出了泡沫金屬復(fù)合相變材料等效導(dǎo)熱系數(shù)經(jīng)驗關(guān)聯(lián)式[7]。邊界模型采用均質(zhì)化方法構(gòu)建泡沫金屬復(fù)合相變體系等效導(dǎo)熱系數(shù)的宏觀計算模型，主要涉及孔隙率、金屬骨架熱導(dǎo)系數(shù)和填充介質(zhì)熱導(dǎo)系數(shù)計算。其中，JAGJIWANRAM等[8]提出傾斜相變儲熱單元中泡沫金屬復(fù)合相變體系等效導(dǎo)熱系數(shù)keff的預(yù)測關(guān)聯(lián)式(見式(2))，估算平均偏差在4.7%以內(nèi)。

式中：θ為泡沫金屬與PCM之間的夾角，(°)。

BHATTACHARYA等[9]基于泡沫鋁/石蠟復(fù)合相變體系等效導(dǎo)熱系數(shù)的實驗結(jié)果，提出基于串/并聯(lián)模型的等效導(dǎo)熱系數(shù)經(jīng)驗關(guān)聯(lián)式(見式(3)，(4)和(5))，該式適用于ε=0.905～0.978，每2.5 cm 上的平均孔數(shù)為5～40個的工況。

式中：A為換熱面積，m2。

ZHENG等[10]利用體積平均法建立考慮泡沫銅/石蠟復(fù)合相變體系等效導(dǎo)熱系數(shù)的數(shù)值模型(見式(6))預(yù)測復(fù)合相變體系熔化行為。

在現(xiàn)有研究中，邊界模型僅僅是孔隙率?的函數(shù)，而未考慮泡沫金屬幾何形態(tài)參數(shù)的影響，這對于精確預(yù)測復(fù)合相變體系等效導(dǎo)熱系數(shù)有一定的影響。因此，國內(nèi)外學(xué)者以立方體模型和開爾文模型等中的理想化單晶胞描述開孔泡沫金屬結(jié)構(gòu)。其中，CALMIDI等[11]建立了泡沫金屬復(fù)合相變體系等效導(dǎo)熱系數(shù)的數(shù)值模型，提出可用于不同熱輸入、頂板和底板之間溫差的等效導(dǎo)熱系數(shù)經(jīng)驗關(guān)聯(lián)式(見式(7))。

BOOMSMA等[12]基于三維描述的泡沫金屬幾何形狀構(gòu)建了開孔泡沫金屬的等效導(dǎo)熱系數(shù)模型(見式(8))。該模型可準(zhǔn)確計算等效導(dǎo)熱系數(shù)，計算結(jié)果與實驗結(jié)果相吻合，但該模型僅適用于ε＜0.90的較低孔隙度區(qū)域。

R為熱阻，K·W-1；e為節(jié)點邊長與韌帶長度之比；d為韌帶半徑與韌帶長度之比。

現(xiàn)有研究表明[7]，立方體模型和開爾文模型能較好地預(yù)測等效導(dǎo)熱系數(shù)，未來研究需要探討如何準(zhǔn)確地將泡沫金屬孔隙幾何形態(tài)進(jìn)行參數(shù)化描述，并以合適的形式嵌入到等效導(dǎo)熱系數(shù)預(yù)測關(guān)聯(lián)式中。

2 泡沫金屬復(fù)合相變體系導(dǎo)熱性能研究

泡沫金屬復(fù)合相變體系儲熱過程受熱傳導(dǎo)和自然對流綜合作用，孔隙率和孔隙密度影響孔隙中流動與傳熱過程[13]。當(dāng)泡沫金屬孔隙密度較大時，熱量傳遞速度加快，但對液態(tài)相變材料的自然對流有一定抑制作用。而當(dāng)孔隙密度較小時，泡沫金屬促進(jìn)液態(tài)相變材料的自然對流，減慢熱量傳遞。因此，研究復(fù)合相變體系相變儲熱過程熔化行為與溫度分布等有助于明確泡沫金屬對PCM導(dǎo)熱性能的強化機(jī)制。

目前，最常見有機(jī)相變材料是石蠟(CnH2n+2)，碳原子數(shù)n小于38 的石蠟理想相變過程如圖1 所示[14]，圖1 中，cps為固態(tài)比熱容；cpl為液態(tài)比熱容；α和β為相態(tài)；s為固相；l為液相；ΔHs?s為顯熱焓；ΔHs?l為潛熱焓。泡沫金屬可使石蠟相變單元內(nèi)溫度分布更均勻，提高石蠟相變單元導(dǎo)熱性能和換熱效率[15]。加入泡沫金屬后，石蠟熔化速率顯著提高，且與泡沫金屬比表面積密切相關(guān)[16]。此外，泡沫金屬種類、孔隙率、孔密度、泡沫填充率等因素對石蠟的導(dǎo)熱性能均有不同強化效果[16-18]。類似地，將泡沫金屬添加到脂肪酸類、醇類等有機(jī)相變材料中，是提升這類相變材料導(dǎo)熱性能的重要手段。

圖1 石蠟的理想相變過程示意圖(n≤38)[14]Fig.1 Schematic diagram of ideal phase transformation of paraffin(n≤38)[14]

利用泡沫金屬為水合鹽提供支撐骨架，可促進(jìn)晶體成核，減輕相分離現(xiàn)象，提高水合鹽導(dǎo)熱性能。盛強等[19]通過研究填充泡沫銅對Ba(OH)2·8H2O 傳熱和過冷性能的影響發(fā)現(xiàn)，添加泡沫銅可有效增強Ba(OH)2·8H2O 導(dǎo)熱性能，降低過冷度。ZHAO等[20]將2%(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，下同)的磷酸氫二鈉(DHPD)和2%羧甲基纖維素(CMC)改性的三水醋酸鈉(SAT)浸漬在泡沫銅中發(fā)現(xiàn)，泡沫銅孔隙密度影響PCM 過冷度。LI等[21]將改性后的三水醋酸鈉注入泡沫銅，發(fā)現(xiàn)SAT 導(dǎo)熱系數(shù)比純?nèi)姿徕c高11倍，且具有較強熱穩(wěn)定性，見圖2。

圖2 使用改性SAT制備泡沫銅/SAT復(fù)合相變體系[21]Fig.2 Preparation of copper foam/SAT composite phase transition system using modified SAT[21]

利用泡沫金屬強化熔鹽導(dǎo)熱性能是提高熔鹽低導(dǎo)熱系數(shù)的重要手段。吳志根等[22]發(fā)現(xiàn)泡沫金屬可使固體硝酸鈉的總體換熱速率提高2.1倍，比膨脹石墨的總體換熱速率高0.2倍。陳巖等[23]發(fā)現(xiàn)添加泡沫金屬可有效提高熔鹽換熱速率，泡沫金屬孔隙率越小，強化傳熱效果越顯著。宗肖等[24]研究發(fā)現(xiàn)泡沫金屬孔隙率對熔鹽熔化過程溫度分布影響不大，泡沫金屬填充體積對溫度分布影響較小，填充位置對熔化過程溫度分布影響很大。

為研究泡沫金屬孔隙率、孔隙密度等特征參數(shù)對PCM 導(dǎo)熱性能的影響機(jī)制，國內(nèi)外學(xué)者借助高清攝像技術(shù)和紅外攝像技術(shù)捕捉泡沫金屬內(nèi)PCM 熔化過程中固液相界面和溫度分布，通過熱電偶測量泡沫金屬內(nèi)PCM 溫度分布研究熱響應(yīng)特性和局部熱非平衡效應(yīng)。YAO等[25]研究了高孔隙率開孔泡沫銅中石蠟熔化過程(見圖3，其中，T1為石蠟-泡沫銅工況的溫度，T2為石蠟工況的溫度，Ti為測點i的溫度)，發(fā)現(xiàn)泡沫銅可擴(kuò)展固液相變界面，有效提高孔隙內(nèi)石蠟溫度分布均勻性，加速不同孔隙中液體石蠟的流動，增強傳熱效率，提高熔化率。

圖3 開孔泡沫銅中石蠟熔化過程可視化實驗研究[25]Fig.3 Experimental study on visualization of paraffin melting process in open-hole copper foam[25]

DIANI等[26]研究了具有不同熔化溫度的石蠟嵌入具有相同體積孔隙率、不同線性孔隙率泡沫鋁的熔化行為，發(fā)現(xiàn)在恒定孔隙率下線性孔隙率對熔化過程的影響甚小。徐祥貴等[27]研究了Cu，Al，Ni 和Fe 材質(zhì)的泡沫金屬孔隙密度和孔隙率對石蠟熔化過程的影響(見圖4)，發(fā)現(xiàn)石蠟熔化過程受熱傳導(dǎo)和自然對流綜合作用，孔隙密度和孔隙率增加均可減小石蠟內(nèi)部熱非平衡現(xiàn)象引起的最大平均溫差，石蠟儲熱密度隨孔隙率增大而增大。MENG等[28]建立了二維雙溫度模型研究泡沫銅孔隙率和孔隙密度對方腔內(nèi)PCM 熔化過程的影響，發(fā)現(xiàn)降低孔隙率和增加孔隙密度可強化PCM 導(dǎo)熱性能，增加孔隙密度不影響其儲熱能力，但降低孔隙率會降低PCM儲熱能力。

圖4 泡沫金屬內(nèi)石蠟熔化過程中20%，50%和80%的石蠟液相分?jǐn)?shù)結(jié)果[27]Fig.4 Numerical simulation results of paraffin melting process in foamed metal at 20%,50% and 80% liquid fraction[27]

由于液態(tài)PCM流動變化復(fù)雜且具有不確定性，使得固液相變界面流動阻力與熱阻增加，阻礙高效傳熱與儲熱，因此，研究者采用梯度泡沫金屬提高泡沫金屬復(fù)合PCM 體系的導(dǎo)熱性能與儲熱密度，研究梯度泡沫金屬對PCM 相變過程的影響機(jī)制。WANG等[29]發(fā)現(xiàn)，與均勻泡沫銅工況相比，加入梯度泡沫銅可使儲熱單元內(nèi)PCM 溫度分布可較快地達(dá)到均勻狀態(tài)，顯著降低復(fù)合PCM 體系溫度梯度，完全熔化時間減少37.6%。YANG等[30]通過研究泡沫金屬孔隙率和孔隙密度在正梯度和負(fù)梯度條件下的石蠟熔化過程特征發(fā)現(xiàn)，在正梯度孔隙率下，完全熔化時間減少17.9%，在正梯度孔隙密度下，溫度均勻性比均勻孔隙密度提高9.1%。ZHUANG等[31]研究了具有相等和不等層高的梯度孔隙率、孔隙密度對泡沫金屬內(nèi)PCM 熔化性能和儲熱性能的影響，結(jié)果如圖5 所示。從圖5 可見：由梯度孔隙率引起的導(dǎo)熱和對流共同影響傳熱和儲熱，增加孔隙密度可增強熱量傳遞并提高平均儲能率。HU等[32]通過研究泡沫金屬梯度尺寸和梯度差對泡沫銅中石蠟傳熱性能的影響發(fā)現(xiàn)，負(fù)梯度模型完全熔化時間比均勻模型縮短2.6%，與正梯度模型相比縮短15.5%。SARDARI等[33]研究了不同條件下垂直容器中泡沫金屬內(nèi)PCM熔化過程，發(fā)現(xiàn)加入泡沫銅后，完全熔化時間比純PCM 條件下約減少85%，比孔隙率均勻條件下減少3.5%。ZHENG等[34]通過數(shù)值研究二維孔隙率梯度結(jié)構(gòu)下泡沫金屬內(nèi)PCM 熔化過程發(fā)現(xiàn)，與均勻孔隙率結(jié)構(gòu)相比，在垂直孔隙率梯度和水平孔隙率梯度結(jié)構(gòu)下，泡沫金屬內(nèi)PCM 完全熔化時間分別減少7.65%和3.37%，二維孔隙率梯度結(jié)構(gòu)的PCM完全熔化時間則減少12.07%。

圖5 梯度泡沫金屬內(nèi)PCM熔化過程可視化研究實驗裝置[31]Fig.5 Experimental device for visualized study of PCM melting process in gradient foam metal[31]

一些研究者提出在復(fù)合相變體系中同時添加泡沫金屬和納米添加劑以進(jìn)一步增強復(fù)合相變體系導(dǎo)熱性能。LI等[35]通過研究發(fā)現(xiàn)，相比純PCM，含體積分?jǐn)?shù)為5%的納米顆粒和孔隙率為95%的泡沫金屬復(fù)合相變體系完全熔化時間減少2.7%。NEDJEM等[36]發(fā)現(xiàn)，添加石墨烯納米片后，泡沫金屬內(nèi)PCM 儲熱和釋熱時間分別減少96.11%和96.23%，可減少泡沫金屬對復(fù)合相變體系完全熔化時間的影響。ZHU等[37]研究了碳納米管(CNT)-泡沫銅混合材料強化PCM導(dǎo)熱性能(見圖6)，發(fā)現(xiàn)與傳統(tǒng)碳膜包覆泡沫金屬不同，CNT 延伸到泡沫銅骨架孔隙中并連接所有分支，復(fù)合相變體系等效導(dǎo)熱系數(shù)提升至3.49 W·m-1·K-1。

圖6 CNT-泡沫Cu材料強化PCM導(dǎo)熱性能[37]Fig.6 CNT-Foam Cu material enhances thermal conductivity of PCM[37]

3 泡沫金屬復(fù)合相變體系應(yīng)用及研究熱點

3.1 泡沫金屬復(fù)合相變體系應(yīng)用

泡沫金屬內(nèi)PCM 可提高相變儲熱單元傳熱性能和系統(tǒng)儲熱效率，常用于電子器件散熱、動力電池?zé)峁芾?、建筑?jié)能、太陽能熱利用、可再生能源發(fā)電等領(lǐng)域。ZHANG等[38]通過研究長方體相變儲熱單元(LHTES)泡沫銅內(nèi)石蠟熔化過程中固液相界面和溫度場發(fā)現(xiàn)，與純石蠟相比，泡沫銅內(nèi)石蠟表現(xiàn)出更好的傳熱性能，溫度分布更均勻。REN等[39]基于孔隙尺度的數(shù)值模擬研究了不同溫度下泡沫金屬孔隙率、孔徑等特性對熔化過程的影響，發(fā)現(xiàn)減小泡沫金屬孔徑可加快PCM 熔化速度，減弱自然對流，在工程應(yīng)用中應(yīng)選擇合適的泡沫金屬孔隙率以平衡LHTES單元中PCM熔化速度和儲熱密度。JOSHI等[40]通過實驗和數(shù)值模擬研究了翅片和泡沫金屬對LHTES 單元傳熱性能的影響，發(fā)現(xiàn)與純PCM相比，加入翅片后PCM熔化速率和凝固速率分別提高50%和5.56%，加入泡沫金屬則分別提高16.67%和33.33%。加入泡沫金屬的LHTES單元內(nèi)PCM熔化和凝固所需總時間與加入翅片相比減少15%。

3.1.1 殼管式相變換熱

殼管式相變換熱器與傳統(tǒng)殼管式換熱器的區(qū)別在于殼程為儲熱材料，管程為換熱工質(zhì)。YANG等[41]研究了自行設(shè)計的管殼式裝置中開孔泡沫銅內(nèi)石蠟熔化過程固液相界面演化，見圖7。從圖7可見：裝置內(nèi)部固液界面呈漏斗狀，外觀呈水平狀；加入泡沫金屬后，PCM 儲熱能力提高67.1%，完全熔化時間縮短60.6%。NIE等[42]通過數(shù)值模擬研究了純PCM和泡沫金屬內(nèi)PCM在不同幾何形狀垂直殼管式相變儲熱單元中熔化行為發(fā)現(xiàn)，與圓柱體殼管單元相比，錐殼管單元僅增強自然對流，平截圓錐體殼管單元增強傳導(dǎo)和自然對流，可見改變殼管幾何形狀對泡沫金屬內(nèi)PCM 的傳熱性能影響不大。COZZOLINO等[43]研究了新型帶管儲熱罐(TIT-TES)中開孔泡沫銅內(nèi)石蠟熔化過程，發(fā)現(xiàn)TIT-TES存儲熱能和熔化效率均較高，采用定向溫度導(dǎo)數(shù)分析可優(yōu)化設(shè)計熔化路徑優(yōu)先方向，熔化時間與定向溫度導(dǎo)數(shù)峰值主要受傳熱流體溫度的影響而不是受其流速的影響。

圖7 管殼式裝置泡沫銅/石蠟復(fù)合相變體系熔化過程可視化研究[41]Fig.7 Visualization study on melting process of copper foam/paraffin composite phase transformation system in shell and tube device[41]

3.1.2 電池?zé)峁芾?/p>

利用相變儲熱技術(shù)充分控制電動汽車中電池模塊的溫度，使其在指定范圍內(nèi)獲得最佳性能，是當(dāng)前研究熱點之一。WANG等[17]通過實驗研究了電池放電過程中泡沫鋁內(nèi)石蠟冷卻鋰離子電池，發(fā)現(xiàn)加入泡沫鋁可大大提高PCM 等效導(dǎo)熱系數(shù)，加快其熔化過程，提高溫度均勻性，相比于純石蠟工況，鋰離子電池表面溫升更低。泡沫金屬復(fù)合相變體系也用于電子設(shè)備散熱和溫控，而無須其他能源輸入[26]。REHMAN等[44]在散熱器中使用泡沫金屬復(fù)合相變體系研究不同條件下散熱器傳熱性能，發(fā)現(xiàn)使用泡沫銅復(fù)合相變體系的散熱器下表面溫度比泡沫鐵鎳低5～6 °C，較低孔隙率泡沫會增大PCM 熔化速率。LI等[45]通過實驗研究了熱電集成系統(tǒng)性能中利用泡沫金屬復(fù)合相變體系增強相變儲熱的效果，發(fā)現(xiàn)泡沫金屬可增強導(dǎo)熱性能并加速散熱，具有低孔隙率的泡沫金屬復(fù)合相變體系可保證最佳熱控制效果和最高熱電能量收集。

3.2 泡沫金屬復(fù)合相變體系研究發(fā)展趨勢

近年來，很多學(xué)者采用理想化單晶胞來描述泡沫金屬骨架微觀孔結(jié)構(gòu)，常用的單晶胞模型為開爾文(Kelvin)模型[10]。QURESHI等[46]基于三重周期極小曲面(TPMS)提出的Primitive，Gyroid 和IWP 模型作為骨架結(jié)構(gòu)(見圖8)，以提高泡沫金屬復(fù)合PCM 等效導(dǎo)熱系數(shù)。結(jié)果表明，泡沫金屬復(fù)合相變材料(MFPCM)等效導(dǎo)熱系數(shù)在較大程度上取決于骨架結(jié)構(gòu)模型類型及其結(jié)構(gòu)，而不只是取決于孔隙率。在等溫條件下，相比于基于Kelvin模型的MFPCM 基準(zhǔn)工況，基于Gyroid 模型的MFPCM 熔化時間減少約31%，基于IWP 模型的MFPCM 熔化時間減少40.3%，基于Primitive 模型的MFPCM熔化時間減少35.3%。以PCM區(qū)域內(nèi)最大和最小溫差作為溫度均勻性指標(biāo)，發(fā)現(xiàn)基于Kelvin 模型的MFPCM 存在最高差異值即最不均勻，而熔化過程中基于IWP模型的MFPCM的平均溫度比基于Kelvin 模型的MFPCM 低5 K。因此，TPMS結(jié)構(gòu)的泡沫金屬導(dǎo)熱性能優(yōu)于傳統(tǒng)Kelvin模型，有望成為LHTES 應(yīng)用中具有前途的代表性泡沫金屬骨架結(jié)構(gòu)。

圖8 泡沫金屬骨架微觀孔結(jié)構(gòu)[46]Fig.8 Micropore structure of foamed metal skeleton[46]

泡沫金屬常用制備方法包括支撐燒結(jié)法、吹入氣體法、金屬液直接發(fā)泡法、粉末加壓發(fā)泡法[47-48]。目前研究用到的泡沫金屬骨架材料相關(guān)參數(shù)見表1[49-60]。用于強化相變材料導(dǎo)熱性能的實際泡沫金屬材料通常是非均質(zhì)的，其孔隙結(jié)構(gòu)具有一定的隨機(jī)性[61]。泡沫金屬內(nèi)部孔隙結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性以及固液相變過程中相界面區(qū)域流動和換熱高度非線性會影響骨架內(nèi)液態(tài)PCM的對流和導(dǎo)熱[62]，增加復(fù)合相變儲熱體系儲熱過程中多相流動與傳熱特性的波動性，制約相變儲熱導(dǎo)熱性能和總體效率的進(jìn)一步提升。利用激光增材制造技術(shù)制備規(guī)則梯度泡沫金屬[63]，可通過調(diào)節(jié)孔隙結(jié)構(gòu)特征調(diào)控泡沫金屬孔隙內(nèi)部流體流動與傳熱特性。

表1 常用泡沫金屬骨架材料相關(guān)參數(shù)Table 1 Related parameters of common foamed metal skeleton materials

4 結(jié)論

1) 需要將泡沫金屬孔隙幾何形態(tài)進(jìn)行準(zhǔn)確的參數(shù)化描述，并以合適的形式嵌入到泡沫金屬復(fù)合相變體系等效導(dǎo)熱系數(shù)預(yù)測關(guān)聯(lián)式。

2) 研究泡沫金屬復(fù)合相變體系儲熱過程熔化行為與溫度分布等是明確泡沫金屬對PCM 導(dǎo)熱性能強化機(jī)制的重要手段。

3) 泡沫金屬內(nèi)部孔隙結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性以及儲熱過程相界面區(qū)域流動和換熱高度非線性增加了復(fù)合相變儲熱體系儲熱過程中多相流動與傳熱特性的波動性，是制約相變儲熱體系導(dǎo)熱性能和總體效率的重要因素。

未來研究中需進(jìn)一步探討以下問題：

1) 目前泡沫金屬復(fù)合相變體系等效導(dǎo)熱系數(shù)的預(yù)測關(guān)聯(lián)式多采用孔隙率ε作為孔隙特征參數(shù)，而較少涉及孔隙結(jié)構(gòu)類型及特征對等效導(dǎo)熱系數(shù)的影響。如何對孔隙結(jié)構(gòu)類型及特征進(jìn)行科學(xué)描述，并用于預(yù)測泡沫金屬復(fù)合相變體系等效導(dǎo)熱系數(shù)是一個亟待解決的問題。

2) 采用泡沫金屬和納米添加劑增強相變材料導(dǎo)熱性能的研究中，泡沫金屬和納米添加劑對相變材料導(dǎo)熱系數(shù)的同向增益機(jī)制尚不清晰，需要深入研究泡沫金屬和納米添加劑相互影響機(jī)制對相變材料導(dǎo)熱性能的調(diào)控作用，避免泡沫金屬和納米添加劑的無效使用。

3) 在泡沫金屬強化PCM 導(dǎo)熱性能過程中，孔隙結(jié)構(gòu)改變其內(nèi)部的自然對流和導(dǎo)熱，進(jìn)而影響傳熱性能。為最大限度地提高傳熱效率，應(yīng)通過調(diào)節(jié)孔隙結(jié)構(gòu)特征以平衡自然對流和導(dǎo)熱，在保證熔化速率的同時，避免減小儲熱密度。

4) 孔隙結(jié)構(gòu)的隨機(jī)性導(dǎo)致泡沫金屬強化相變材料導(dǎo)熱性能的微觀調(diào)控難以實現(xiàn)。采用3D打印等激光增材制造技術(shù)設(shè)計優(yōu)化孔隙結(jié)構(gòu)，可從微觀結(jié)構(gòu)上調(diào)控泡沫金屬復(fù)合相變體系導(dǎo)熱性能，進(jìn)一步提高復(fù)合相變體系導(dǎo)熱性能。