Моделирование теплопередачи и фазовых переходов в нанокомпозитах со сложной геометрией наночастиц

Авторы

Алхатиб Д.

Национальный исследовательский университет «МЭИ», ул. Красноказарменная, 17, стр. 1Г, Москва, 111250, Россия

e-mail: AlkhatibD@mpei.ru

Аннотация

В данной работе представлена новая математическая модель теплопередачи с фазовым переходом в нанокомпозитных материалах (NePCM), учитывающая влияние формы и распределения наночастиц в сложных геометрических конфигурациях. Модель основана на энтальпийном подходе и включает модифицированные уравнения для эффективной теплопроводности, удельной теплоемкости и плотности NePCM, которые зависят от объемной доли и фактора формы наночастиц (сферических, стержневых, пластинчатых). Численное моделирование одномерного процесса плавления в плоской стенке, заполненной NePCM, демонстрирует значительное влияние формы и концентрации наночастиц на температурные профили и динамику фронта фазового перехода. Полученные результаты показывают, что стержнеобразные наночастицы обеспечивают наиболее эффективное улучшение теплопередачи по сравнению со сферическими и пластинчатыми при одинаковой объемной доле. Предложенная модель позволяет более точно прогнозировать тепловое поведение NePCM и открывает новые возможности для оптимизации систем теплового хранения и управления.

Ключевые слова:

теплопередача, фазовый переход, нанокомпозитные материалы, наночастицы, математическое моделирование, эффективная теплопроводность, форма наночастиц

Список источников

1. Leong K.Y., Abdul Rahman M.R., Gurunathan B.A. Nano-enhanced phase change materials: A review of ther-mo-physical properties, applications and challenges // Journal of Energy Storage. 2019. Vol. 21. pp. 18–31.
2. Al-Najjar H.M.T., Mahdi J.M. Novel mathematical modeling, performance analysis, and design charts for the typical hybrid photovoltaic/phase-change material (PV/PCM) system // Applied Energy. 2022. Vol. 315. 
3. Khalaf A.F. et al. Enhancing thermal performance of phase change materials using conductive rods with length dependent melting dynamics // Scientific Reports. 2025. Vol. 15. № 1. 
4. Jamshideasli D. Heat transfer enhancement in thermal energy storage applications: a systematic review and data management in salts // Journal of Energy Storage. 2022. Vol. 46. 
5. Junaid M. et al. Phase change material performance in chamfered dual enclosures: Exploring the roles of geo-metry, inclination angles and heat flux // International Journal of Thermofluids. 2024. Vol. 24. 
6. Zheng X. et al. Research Progress of Phase Change Materials for Thermal Management in Electronic Components // Advanced Materials Interfaces. 2025. 
7. Carson J.K. Modelling thermal diffusivity of heterogeneous materials based on thermal diffusivities of components with implications for thermal diffusivity and thermal conductivity measurement // International Journal of Thermophysics. 2022. Vol. 43. № 7. pp. 108.