太阳能作为重要的可再生能源,被广泛应用在热发电等领域。但太阳能的分散性、间断性和不稳定性让太阳能的供需难以匹配,降低了太阳能光热发电的效率。因此,需要发展蓄热技术能量暂时储存,使其可以连续运行从而被高效利用。本文针对长方体单元高温相变蓄热器的蓄热特性进行深入研究,具有较强的理论价值及应用价值。首先,建立了高温相变蓄热器的三维数值计算模型,采用数值模拟手段研究了传统圆柱单元蓄热模型的蓄热特性及热传递规律;针对圆柱单元蓄热模型在蓄放热后期相变速度慢的缺点,提出了长方体单元蓄热模型,对比研究了两种不同模型蓄放热过程,分析了两者的蓄放热效率;而后,基于建立的长方体单元蓄热仿真模型,探究了斯蒂芬数、雷诺数等无量纲数及不同相变材料(PCM)对蓄热特性的影响,提出了长方体单元蓄热模型普适性换热准则式;最后,从蓄热单元结构形式和级联蓄热两方面对长方体蓄热单元进行优化,比较了不同尺寸梯台单元对换热性能的影响,并在此基础上研究了不同相变材料的级联蓄热过程,揭示了多级相变材料对蓄热器换热性能的提升机理。通过上述研究发现:(1)圆柱体蓄热单元的蓄放热过程中,存在熔化、凝固末期速率慢、时间长的缺点。相变材料平均液相率从0.8到完全熔化的时间占了总熔化时间的30.1%;PCM平均液相率从0.2到完全凝固的时间占了总凝固时间的32.9%。(2)长方体蓄热单元模型在蓄放热过程中的换热性能优于圆柱体蓄热单元。两者的蓄放热过程总体趋势相似,但长方体蓄热单元模型在蓄放热过程中所用的时间分别比圆柱体蓄热单元模型减少了 12.1%和10.6%,蓄放热效率分别提高了 33.2%和10.1%。(3)长方体蓄热单元模型在蓄放热过程中的流动状况优于圆柱体蓄热单元。圆柱体单元模型在入口有较大的沿程阻力损失,在流动方向上整体的流速较低,导致靠近出口处蓄热单元的流动非常缓慢,造成流动死区。而长方体单元沿流动方向上流速较高,PCM外壁面可对传热介质(HTF)的流动起到导流的效果,同时这种单元形式可以消除柱体单元之间的流动死区,整体的流动阻力小。(4)对长方体蓄热单元模型而言,随着Fo数的增加,Nu数开始以类似指数的趋势不断减小,接着基本不变,最后继续减小。增大Ste数和Re数都可以增大Nu数,减少熔化时间;但增大Ste数会提升蓄热效率,增大Re数则会降低蓄热效率;提高PCM的熔点虽然可以提高蓄热量,但会降低蓄热效率,在选择PCM时应在综合考虑HTF的热物性和蓄放热工作条件的基础上,选择合适熔点的相变材料;长方体蓄热单元模型的换热准则式为:Nu=14.6382Re0.2158 Pr1/3。(5)由于梯台型单元蓄热模型的HTF侧换热与流动条件能与PCM体积更好地匹配,相比长方体单元蓄热模型,梯台型单元模型完全熔化所用的时间减少11.5%,平均Nu数增加7.8%;减小梯台的近入出口截面面积比能够提高PCM的熔化速率,同时对蓄热器的蓄热效率及平均Nu也有强化作用,但随着截面面积比的不断减小蓄热器性能的提升幅度也在逐渐下降;采用PCM级联蓄热可以增强PCM熔化的一致性,相比单级蓄热的梯台单元蓄热模型,级联蓄热熔化完成的时间减小5.2%;蓄热量增加10.2%,平均Nu数增加8%,蓄热效率也提高12.8%。而采用了梯台单元蓄热模型与PCM级联蓄热优化后,PCM总的熔化时间与长方体单元蓄热模型相比减少了 20.8%,蓄热性能得到了很大提升。