第一章 绪论
1.1 研究背景
相变微胶囊悬浮液是将相变材料这制成微胶囊与载流体（水、酒精等）结合固液两相流体，该流体在发生相变的过程中，通过凝固、融化，可以吸收、释放大量的热[1, 2]并且 MPCM颗粒的壁材[2]可以保持固态防止内部材料凝聚和外泄，具有很好的稳定性。同时又不失其流动性，可以在管道中循环流动，增强对流换热效果。这种相变微胶囊悬浮液具有比热容大，传热效率高，使用范围广可以减小相应换热器或管路的尺寸的优点[3, 4]。关于相变微胶技术的研究目前主要在以下四个方面：（1）MPCM 制备技术的研究，提高 MPCM 颗粒的稳定性和潜热值[5]；（2）提高 MPCM 悬浮液的稳定性[6]；（3）研究 MPCM 悬浮液的流变特性[7]；（4）影响 MPCM 悬浮液对流换热特性的因素[8]。相变微胶囊悬浮液（MPCMs）自发展以来，已经广泛应用于纺织材料和建筑物，可以大大提高建筑物的温度控制性能和纺织材料的保温隔热性能[9]。将MPCM 与载流体结合比如水结合就成为了潜热型流体，使相变微胶这种潜热材料具有流动性，将他们应用于二级制冷和空调回路可以提高能量传递效率从而减少制冷剂的使用[10]。相变微胶囊悬浮液在发生相变的过程中，可以吸收、释放大量的能量而自己本身的温度变化范围很小，具有良好的储热能力[11-13]。同时由于相变材料封装在囊体中解决其高腐蚀性的缺点，更加安全高效。如今，MPCM技术已经应用于军事、纺织、建筑保温和电子散热等很多方面[14]。Zhang[15]等人在文章中通过将相变微胶囊储热原理应用于制冷辐射板，通过建立 ACCURACY 和 MATLAB 数学模型计算中国典型五个城市的逐时特点，计算表明，相变微胶囊悬浮液在空调系统的应用中是一种很好的媒介，其中在兰州和乌鲁木齐分别具有 77%和 62%的节能潜力。这种混合系统的应用在中国的北部和中部气候干旱和温度低的城市有更好的效果。周玉帅[16]等人应用 MPCMs，其芯材为十六烷，建立了四种不同的系统，分别为相变微胶囊应用于冷却盘管，和相变微胶囊应用于干盘管，以及传统的风机盘管加新风系统和冰蓄冷风机盘管加信封系统四种系统，采用火用分析四种系统的传热效率和热损失，经计算发现，相变微胶囊技术在干盘管系统的应用中火用损失最小，提高了传热效率降低了空调机组的功耗。
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1.2 国内外研究现状
1.2.1 基本理论研究
张艳来[24]等人采用封闭的矩形容器为器材，悬浮液的相变材料为芯石蜡混合物，下表面加热同时对上表面冷却，其他表面均为绝热条件的实验情况下，对含有相变微胶囊的悬浮液和不含有相变微胶囊的悬浮液进行对比实验，分析内部流动和温度，实验发现，流体的流速明显减小，冷却板附近温度梯度变大，对流效果增强。换热效果增强是由温度梯度的增大引起的。而且流体的速度的降低与质量流量相关。Zhang and Faghri[25]利用数值解析法计算了恒热流边界条件下MPCM流体在圆管中的换热情况。作者指出在以往的实验和理论研究影响换热的重要的一个条件就是忽略了过冷度的影响，PCM 的包膜材料还有相变温度的范围。本作者将这些因素考虑在内，将实验结果和数值模拟计算的误差降低。
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第二章 相变微胶囊悬浮液特性分析
2.1 相变微胶囊及悬浮液材料和制备
2.1.1 相变微胶囊的特性
相变微胶囊是采用物理化学等方法将相变材料包裹在囊体中的微型胶囊，不仅可以于载流体相结合制成潜热型流体，而且在很小的温差内储存和释放大量的热[47]。根据相变材料的不同（有机和无机），特点也是不同的。有机的相变微胶囊通常是具有腐蚀性、化学性质稳定、无过冷度的并且广泛的应用于建筑材料，但是，它们也通常具有较低的传热效率和较小的相变时的体积变化[3]。无机的相变微胶囊通常具有较高的潜热值，低成本不易燃，但是它们也具有较强的腐蚀性，易于分解，易受过冷度的影响。这就是将相变材料制成相变微胶囊的原因，相变微胶囊可以克服传统的相变材料的腐蚀性，易于分解，较高的过冷度，容易泄露和容易挥发等缺点[48]。MPCM 悬浮液具有以下特点例如：（1）在温度相近的条件下进行热量交换；（2）因为材料的相变可以有更高的传热效率；（3）由于接触面积于体积之比的增大有更好的传热效率；（4）由于储热能力的增大从而使用更少的质量流量较少泵工；（5）与传统的流体相比，由于储热能力强所以使用更低的温度有更好的冷却效果[49]。相变微胶囊可以被称为颗粒（粒径在 1~1000μm 之间）包括细小的颗粒或者包裹在均匀的和各异性的材料中的相变材料。这些胶囊可以使很多有用的功能和气体相变材料变成固态。根据外壳壁材的物理化学性质的不同和制备相变微胶囊的技术方法的不同可以被分为很多不同种类的相变微胶囊[50]。
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2.2 MPCM 及 MPCM 悬浮液的物理性质
MPCM 悬浮液在长期的储存过程中和机械设备传热载体中作为蓄热体应该具有优良的稳定性。其中长期储存和在机械的热负荷下稳定性扮演着更加重要的角色，影响稳定性的主要以因素是相变微胶囊颗粒的耐久性。悬浮液的稳定性可以归结为以下影响因素：（a）乳化或者沉降，这是由于重力作用的不同导致连续相和分离相之间的密度不同；（b）絮凝-乳胶粒子的聚集；（c）合并过程就是两个或者更多的分散粒子在相互接触的过程中凝结而成的单个大液滴；（d）Ostwald 是分散相溶解度差异的结果；（e）相位倒置-连续相转化为分散相并进入连续相的过程。乳化作用、沉积作用和絮凝作用并不会造成液滴凝聚的情况，然而粒径分布、聚结和 Ostwald 熟化效果会导致液滴的尺寸增加和界面区域的减小[49]。克服稳定性差最重要的问题就是乳化过程，避免在相变微胶悬浮液在长期储存过程中表面活性剂会粘附在相变微胶囊的壁材上，学者对 MPCM 长期储存以及如何使用表面活性物质进行了研究等[60]。相变微胶囊悬浮液的稳定性可以通过颗粒的变化，粒径的大小，热物理性质和粘度等因素进行评估[61]。相变微胶囊的颗粒也不宜过小，因为过小会造成较大的过冷度，其他影响相变微胶囊颗粒破碎的原因还有抽水和搅拌过程，其中泵的循环是影响颗粒破碎的最主要的原因。当相变微胶囊的粒径减小到 5μm 时，5000 次的泵循环都不会破裂，有学者实验数据表明，相变微胶囊颗粒的直径为2~10μm 时，在 12000 个循环周期之后依然保持稳定性[62]。其他影响稳定性的因素还有芯材和壁材含量比值，当颗粒粒径与壁材的厚度之比增加时，破损率也会随之增加。
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第三章 Re 数对相变微胶囊悬浮液管内层流强迫对流传热的影响.............22
3.1 RE 数对质量分数为 5%的 MPCM 悬浮液管内层流强迫对流换热数值模拟 ............22
3.2 Re 数对质量分数为 10%的 MPCM 悬浮液管内层流强迫对流换热数值模拟 ..........27
本章小结：........33
第四章 质量分数对相变微胶囊悬浮液管内层流强迫对流传热的影响......34
4.1 不同质量分数的 MPCM 悬浮液管内层流强迫对流换热数值模拟 .........34
4.2 不同质量分数的 MPCM 悬浮液管内层流强迫对流换热数值模拟 .........40
本章小结：........45
第五章 斯蒂分数对相变微胶囊悬浮液管内层流强迫对流传热的影响......47
5.1 不同斯蒂分数的 MPCM 悬浮液管内层流强迫对流换热数值模拟 .........47
本章小结：........52
第五章 斯蒂分数对相变微胶囊悬浮液管内层流强迫对流传热的影响
本章通过数值模拟计算斯蒂芬数对 MPCM 悬浮液的对流传热进行研究，通过分析相变区以及温度分布等规律，得出斯蒂分数对 MPCM 悬浮液对流传热的影响，并通过数值模拟所得到的相变温度层修正导热状态下的相变温度层。
5.1 不同斯蒂分数的 MPCM悬浮液管内层流强迫对流换热数值模拟
此圆管的材质为铜，基本参数如表 5-2 所示，圆内为质量分数分别为 10%的相变微胶囊悬浮液，表 5-1 为三种流动工况参数。如图 5-1 所示为固态区、相变区和融化区在不同的斯蒂芬数下的分布规律。从图 5-1 可以看出，当 Ste 数比较小（Ste=5.92）时，管道内的固态区和相变区都比较大，靠近管道轴心位置的融化起始点和终止点的距离分别为0.4m和0.7m。。当斯蒂分数增大时，相变区明显沿流动方向变小，长度变短。当 Ste 数为 12.85时，管道轴心位置的融化起点和终点也靠近入口处，相变区显著变小。图 5-2（a），5-2（ b）和 5-2（c）分别给出了对应工况下 MPCM 悬浮液沿流动方向的壁温、修正对流换热系数和修正努塞尔数。如图所示，斯蒂分数为5.92 时，出口位置的壁面温度为 315k。斯蒂分数为 9.39 时和 12.85 时对应的出口处壁温分别是 330K 和 340K，斯蒂分数数为 5.92 时出口壁面温度比斯蒂分数为 9.39 和 12.85 时分别降低了 15K 和 25K，对应的 h*分别提高了 4.5%和 7.5%。斯蒂芬数为5.92时 Nu*为2，斯蒂芬数为 9.39和12.85时Nu*分别为 1.9 和1.85。相同的条件下，随着斯蒂芬数的增大，壁面温度逐渐降低，相应的修正对流换热系数和努塞尔数逐渐增大，对流换热效果显著增强。
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总结
本文以十八烷的 MPCM 制成的悬浮液作为传热工质，以等效比热模型和修正对流换热系数以及修正努塞尔数为基础，对 MPCMs 恒热流密度条件下的对流换热特性进行了数值研究。经研究得出的结论如下：首先对不同雷诺数，质量分数和斯蒂芬数不同工况下的 MPCM 悬浮液的流动过程进行数值模拟，结果表明：（1）当 MPCMs 流经被加热的管道时，存在固态区、相变区和融化区三个主要区域，在靠近入口的位置，只有贴近壁面处的 MPCM 发生了相变，沿流动方向，相变区沿管壁向管道中心处扩展。（2）雷诺数、质量分数和斯蒂芬数都是影响 MPCMs 对流换热大小的关键因素，相同工况下，当雷诺数越大时，融化区越长，修正努塞尔数和修正对流换热系数越高。相同工况下，当质量分数越大时，融化区越长，修正努塞尔数和修正对流换热系数越高。当斯蒂分数越小时，融化区越长，修正努塞尔数和修正对流换热系数越高。随着雷诺数、质量分数的增大和斯蒂分数的减小，管道中心处的融化起始点沿管长方向不断拉长，相变区变长，得出雷诺数、质量分数和斯蒂芬数通过改变 MPCM 悬浮液相变区的位置和大小改变了对流换热效果，使得相变区越大，对流换热效果越好。（3）其次，本文从微观的角度分析 MPCMs 管内流动的传热特点，将数值模拟所得到的相变温度边界层的数据用方程拟合，得到拟合程度最高的方程是六次方的多项式，由于此类方程在数学物理中没有实际意义，所以将其拟合为直线方程，并写出其方程表达式。将管内相变材料在导热状态下的相变温度边界层化成对流状态下的温度边界层并得到其表达式，用数值模拟得到结果修正该表达式，并得出修正因子。
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参考文献（略）