热阻对相变材料热性能的影响研究综述：从机制到工程优化

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热阻对相变材料热性能的影响研究综述：从机制到工程优化（DOI: 10.1016/j.ijthermalsci.2021.106852）

随着可再生能源和节能技术的快速发展，热能储存（Thermal Energy Storage, TES）系统在太阳能热发电、建筑节能和电子设备热管理等领域的应用日益广泛。相变材料（Phase Change Materials, PCMs）因其高潜热储热密度，在储热系统中扮演着重要角色。然而，PCMs普遍导热系数低，限制了其热响应速度。为解决这一问题，研究者常通过引入金属泡沫、金属网等高热导材料来增强传热，但这又带来了**热接触阻力（Thermal Contact Resistance, TCR）**的新问题。
Opolot 等人发表于 International Journal of Thermal Sciences 的研究系统探讨了热阻对相变材料热性能的影响，并提出了数值模拟与尺度分析相结合的方法，为低成本、高效能的 PCM 储热系统设计提供了理论依据和工程指导。

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一、研究背景与挑战
尽管金属泡沫等增强结构显著提升了 PCM 的导热性能，但其与储热系统壁面之间的接触往往并不理想，形成热阻。这种热阻会导致：

• 热量传递滞后，延长熔化/凝固时间；
• 储热系统响应变慢，效率下降；
• 在实际应用中增加能量损耗与运行成本。
  

传统解决热阻的方法包括高温钎焊、加压装配或使用导热胶，但这些方法要么成本高，要么工艺复杂，难以大规模推广。因此，如何定量评估热阻对 PCM 性能的影响，并开发低成本、易实施的增强方案，成为当前研究的关键。

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二、研究方法与模型构建
本研究采用数值模拟与尺度分析两种方法：
1. 数值模拟：基于ANSYS Fluent的焓-孔隙模型

• 采用体积平均法（VAM）处理 PCM 与金属增强结构之间的热耦合；
• 引入焓-孔隙模型模拟熔化/凝固过程；
• 考虑自然对流、热传导及相变界面演化；
• 模拟不同热阻间隙（0~10 mm）下 PCM 的熔化与凝固行为；
• 模拟不同连接方式（自然插入、胶黏、钎焊）对热性能的影响。
  

2. 尺度分析：构建一维解析模型

• 将 PCM 热过程划分为三个阶段：初期显热阶段、相变阶段、后期显热阶段；
• 分别建立温度变化率与相变时间的尺度关系；
• 推导出适用于钎焊与非钎焊结构的简化公式；
• 通过对比实验与数值结果验证模型的准确性与适用性。
  

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三、主要研究发现1. 热阻显著降低系统性能

• 与完全接触（0 mm 间隙）相比，1 mm 的热阻间隙可使熔化/凝固时间增加约3倍；
• 随着间隙增大，熔化时间呈指数增长，而凝固时间呈线性增长；
• 当间隙达到 6 mm 以上，系统性能趋近于纯 PCM，增强效果几乎消失。
  

2. 胶黏连接效果有限

• 使用导热胶将金属结构与壁面连接，相比 1 mm 间隙仅提升约 10% 的热性能；
• 胶本身热导率低，且界面仍存在微观热阻；
• 从性能/成本比来看，自然插入+小间隙（≤1 mm）更具工程实用性。
  

3. 尺度分析模型具有良好预测能力

• 模型能较准确预测 PCM 在不同阶段的温度变化与相变时间；
• 对于钎焊结构，模型预测与实验误差小于 10%；
• 对于非钎焊结构，模型通过引入间隙修正项，仍能较好拟合数值与实验结果；
• 模型可为工程设计提供快速估算工具，减少数值模拟成本。
  

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四、工程启示与应用前景
本研究明确指出：

热阻是限制 PCM 储热系统性能的关键因素之一，在实际设计中不可忽视。

基于此，研究提出以下工程建议：

• 在成本受限条件下，优先采用自然插入+控制间隙方式，避免使用昂贵钎焊；
• 若使用胶黏，应选择高导热界面材料，并尽量减小胶层厚度；
• 设计时应考虑热膨胀差异，避免因循环热应力导致接触失效；
• 可通过优化金属结构孔隙率、形状与布置方式，进一步降低热阻影响；
• 所提出的尺度分析模型可作为初步设计工具，辅助快速评估不同方案的热性能。
  

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五、结语与展望
Opolot 等人的研究不仅揭示了热阻对 PCM 热性能的影响机制，还为低成本、高性能储热系统的设计提供了理论依据和实用工具。未来研究可进一步拓展至：

• 高温 PCM 系统中的热阻行为；
• 多次热循环后热阻的演化与老化；
• 多物理场（热-力-化学）耦合下的界面行为；
• 结合机器学习优化金属结构与界面设计。
  

随着储热技术的不断发展，热阻管理将成为提升 PCM 系统效率与可靠性的关键环节，本研究为这一方向提供了坚实的基础与广阔的前景。