成骥，张竹茜等
（微细尺度流动与相变传热北京市重点实验室）
本研究针对泡沫铝/石蜡复合相变材料在基于动力锂电池热管理系统中的蓄热过程进行了研究，分析了复合材料蓄热过程中的相变发展过程与温度分布。通过对比单质石蜡和泡沫铝/石蜡复合相变材料在同等加热条件下的蓄热特性，表明复合相变材料在蓄热过程中内部温度分布更为均匀，在相同的加热条件和加热时间下，复合相变材料的温升明显高于单质石蜡，熔化速率远高于单质石蜡，其完全熔化时间仅为单质石蜡完全熔化所需时间的60%。
图2（a）-（d）以及（e）-（h）所示分别为单质石蜡在蓄热过程中不同时刻下的液相率分布。图中，1为液相石蜡，0代表固相石蜡，其他数值代表熔融态石蜡，即糊状区。由图（a）-（d）可以看到单质石蜡相变界面随蓄热时间的增加发生的移动，在相变初始阶段（t=500s之前），相变界面上部移动速度较大，而中下部速度较小，且固液界面基本与加热壁面垂直；在相变中期（t=1000s，t=1500s之间），熔融区面积增加，相变界面呈现出熔融前沿移动速率随高度增加而增加的运动趋势；至相变后期（t=2000s之后），相变界面开始出现水平发展的趋势，这是由于随高度增加，相变界面运动速率不断增大，在液态区域出现环形流动的速度场，速度场的出现也使得固液界面处的温度分布发生改变，最终导致固液界面附近沿高度方向上的传热速率差异明显而引起的。
图2（e）-（h）所示为相同加热条件下泡沫铝/石蜡复合箱变材料蓄热过程中的液相率分布情况。可以看到，复合材料在相变初期，相变界面运动出现与单质石蜡相同的现象，都表现为上部移动速率较大的情况，但是通过比较可以看出，复合相变材料中的液相分布更为均匀；相变中期，复合相变材料的液相区面积增加更为迅速；在相变末期，相变界面的沿高度方向上趋于不变，整体呈现更为明显的水平方向变化。这主要是由于骨架结构对液相区域速度场的发展有较大限制的同时，其较大的热导率也影响了整体的换热效果。
结论
通过基于动力锂电池热管理系统下相变材料散热性能的初步研究，可以得出以下结论：
（1）单质石蜡熔化过程中相变界面的运动变化是由温度场和速度场的共同作用导致的，而复合相变材料内的相变界面的运动变化除这两者之外，还会受到泡沫铝骨架结构的影响。
（2）相较于单质石蜡，复合相变材料在蓄热过程中，其内部温度分布更为均匀，在整个换热过程中，其最大温差始终小于单质石蜡内的最大温差；在相同的加热条件和加热时间下，复合相变材料的温升明显高于单质石蜡，换热速率较大。但在两种材料尺寸相同时，复合相变材料能够吸收的热量值则低于单质石蜡。
（3）泡沫铝骨架较高的导热系数极大地提高了换热过程中的传热速率，直接导致泡沫铝/石蜡复合相变材料的熔化速率远高于单质石蜡，其完全熔化时间仅为单质石蜡完全熔化所需时间的60%。
（4）速度场对相变材料的熔化换热过程有较大影响，主要表现为对液相区内自然对流换热强度的直接影响，进而导致温度分布发生变化。即使在泡沫铝/石蜡复合材料中，速度场的发展受到泡沫铝骨架结构的限制，其变化仍能对温度分布造成一定影响，进而导致传热速率的变化。