能源是人类赖以生存以及生产发展的重要物质基础之一。近年来，随着全球能耗的不断上升，传统能源己经愈发难以满足人们的需求，同时，能源的消耗导致严重生态破坏以及环境污染问题受到了社会的强烈关注。为解决能源紧缺、能耗过快和环境污染的问题，世界各国都在加快能源节约技术和新能源开发的研究脚步。有效提高能源利用效率是缓解全球能源危机的重要手段。

目前机动车主要以石油等不可再生能源为动力来源。国际能源署的统计结果表明^[1]， 2012 年全球交通运输能源结构中，石油制品占92.8%，天然气占3.6%，电力占1.0%，煤仅占0.1%。随着经济水平的提高，全球石油消费量也持续稳步增长，其中很大的一部分用于交通运输，1999 年，全球石油消费的51%用于交通运输，2007 年全球石油消费中53. 5%用于交通运输，预计到2035年这个比例将达到60. 8%，2007 ～2035 年间，运输部门将占全球新增液体燃料消费量的87%。而交通运输石油消耗量中约一半用于道路交通运输，在未来很长的一段时间内还会持续增长。随着随着不可再生能源总量的下降，如何节约能源成为当下急待解决的问题之一，汽车能源和排放越来越受到关注, 汽车发动机余热利用和冷起动问题也成为焦点问题。从汽车所用发动机的热平衡来看^[2], 用于动力输出的功率一般只占燃油燃烧总热量的 30 % ～ 45 %(柴油机)或 20 % ～ 35 %(汽油机), 其余一多半的能量都被散失或排放到大气中, 造成了能源极大浪费和不良的环境危害。利用相变蓄热技术将排放到大气环境中的高品位的汽车燃烧余热回收利用起来，是实现汽车节能,降低汽车能源消耗的一个有效途径。所谓相变蓄能技术即利用特定手段将过余的能量储存起并在需要的时候将其释放，是合理利用能源以及优化热能系统运行的重要手段，能有效地平衡能量供求双方在时间、地点以及强度上的不匹配，有利于提高能源利用率。目前，相变蓄能技术在热能工程领域与汽车余热利用方面得到了迅速的发展和应用，但由于相变材料导热系数低，相变蓄热器的蓄／释热速率也较低，相变蓄热装置无法快速地进行热量的储存和释放。因而，亟需开展相变蓄热器的性能强化换热研究。

鉴于此，关于强化蓄热器的储热和放热的性能，国内外许多学者对其换热机理和特性展开了研究。高青等^[3]通过对影响汽车余热蓄热特性影响因素分析,以及对三维模型热流体与蓄热体耦合问题进行数值模拟分析, 可知车用相变余热蓄热过程是 一个复杂多变的动态传热传质过程,受多种因素的作用和影响。其蓄热量与时间是表征蓄热器热效率的两个重要因素。高淳等^[4]比较了石蜡和八水氢氧化钡两种材料在蓄热过程中的温变特性和吸热能力，并研究了低温环境下八水氢氧化钡蓄热器在放热过程中的低温释热性能。结果表明八水氢氧化钡用于低温环境释热过程的温升作用显著，且在更低的低温环境下具有相对较高的放热总量。王琱^[5]对三维蓄热器热流体与蓄热体耦合的情况进行了数值模拟研究。利用焓法对固液相变蓄热器传热特性的数值求解方法进行了分析,并对相变材料和封装材料进行筛选，为相变蓄热器的优化设计奠定一定基础。龙伟月^[6]以脂肪酸相变传热研究为依托，对矩形方腔与环形单元两种典型单元结构形式的换热特性展开了数值模拟研究，在此基础上分析讨论了两种单元的传热影响因素，得到了单元传热强化与结构优化的理论方法。潘胜，史金鑫^[7]利用 GAMBIT 软件，建立管壳式换热器壳程流场简化模型，进行网格划分并设定各边界；利用 FLUENT 软件，进行有限元计算。通过设定求解器类型、具体边界条件值以及松弛因子，对模型进行迭代计算。对壳程流体的压力场、温度场和速度场的特点进行了分析，为管壳式换热器的设计和使用提供参考。张海峰等^[8]对二维的相变贮能单元中的传热和贮能问题进行了数值分析.对PCM中的二维传热问题采用显热容法，对管内流体以一维对流扩散方法处理、通过对换热流体的换热有效度和PCM的相变体积比的定义，研究了相变贮能换热系统的效率问题，以及提高系统效率的途径，为相变贮能换热系统的设计优化提供参考.通过对单元体模型中各相关参数的分析和结果对比，PCM的内部传热强化是提高系统效率的关键因素.袁培等^[9]设计了一个管壳式蓄热装置并使用FLUENT建立了一个三维的、非稳态的、液态石蜡包含自然对流的相变蓄热装置模型在该模型中取一个蓄热单元进行模拟研究，研究结果为蓄能装置及集成系统的开发提供理论依据。王美俊等^[10]建立了翅片管和光管式相变蓄热单元的三维计算模型，采用数值模拟方法，从蓄热速率、蓄热量以及温度场等方面 比较分析了翅片管和光管结构对储热性能的影响通过计算得出在一定条件下添加翅片有助于提高蓄热体的蓄放热性能，所得结论对实际工程中相变蓄热系统的设计和优化具有一定的参考价值。张云婷等^[11]利用焓法建立壳管式相变材料蓄热装置的数学模型，使用数值模拟的凝固／融化模型模拟了石蜡融 化的相变过程，得出热流体的温度对相变过程起主要作用 ，热流体的流速的影响则相对较小的结论，这对壳管式相变蓄热的计算和相变蓄热装置的设计具有一定的参考价值。王哲斌等^[12]对一种圆环形柱体石蜡相变蓄热材料。分别建立了忽略液相自然对流和考虑液相自然对流相变过程的数学模型。采用Fluent软件对其蓄热熔化过程进行数值模拟，得出石蜡熔化过程中液相中自然对流作用对熔化过程的影响。陈宇^[13]对水平圆管的相变传热问题建立数学模型，通过数值模拟的方法，分析石蜡作为相变材料的熔化特性，得到16组不同排布结构用于优化分析，通过对数值计算结果讨论获取不同换热单元排布下瞬态熔化特性以及传热性能，这些结构可以与太阳能低温蓄热系统结合达到强化换热、改善蓄热性能。吴学红等^[14]针对蓄热器换 热效率低和蓄热器内部温度分布不均匀等问题，结合套管式和多管式蓄热器的换热特性，开发出高效蓄热换热器。研究结果表明，通过添加翅片和增加翅片长度可以节省相变材料熔化时间并改善相变材料凝固过程中相变“死区”对整体放热时间的影响，该结论对相变蓄热装置的优化设计提供参考。M.Gumus^[15]设计并测试了内燃机预热蓄热系统的实验样机，结果表明研制的蓄热实验样品适合于降低预热内燃机的排放，以及Na₂SO₄·10H₂O是用作内燃机的预加热物美价廉的相变材料。M.J.Allen等^[16]通过实验分析了系统倾角(0 ~ 90°)对相变材料(PCM)在圆柱壳内熔化和凝固的影响研究了六种构型，通过实验的得出系统不同角度和不同构型对液体馏分以及相变材料熔化和凝固速率的影响，此结果为强化蓄热器的储热和放热的性能提供了依据。Shengxiang Deng等^[17]在考虑自然对流的情况下，建立了基于有限元法的二维数值模型，并用实验数据对计算结果进行了验证，首次研究了不同翅片布置下的潜热储能装置传热特性，得到了翅片布置对潜热储能装置传热的影响，该结论为设计潜热储能装置时翅片的布置提供了理论依据。

2. 研究的基本内容与方案

主要内容及目标

本论文对同心套管式相变蓄热装置及传热强度进行研究。论文的主要内容包括以下几个方面：同心套管式相变蓄热装置的基本介绍，包括工作原理、工作特性、发展现状、政策形势等；根据设计的同心套管式相变蓄热装置对相变蓄热单元进行三维模拟与优化，并根据所建立模型；基于Fluent进行数值计算与结果分析。

论文的组织结构如下：

第一章：绪论。本章首先介绍了研究背景及意义；然后阐述了相变蓄热装置的研究现状及难点；最后对整篇论文的研究内容和组织结构进行了简要叙述。

第二章：设计相变蓄热装置并建立相变蓄热单元模型。本章主要是根据设计任务书设计满足需求的结构并建立该相变蓄热单元模型为后续计算做准备。