中国科学院工程热物理研究所陈海生研究员团队撰写的“Influence of Anisotropy on Thermal Management in an Unconsolidated Porous Energy Storage Cavity” （各向异性对疏松多孔储能腔体热管理的影响）一文在GeoStorage-《地质储存》（英文刊）第2期发表。欢迎下载、阅读、转发和引用！

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引用格式：Wang CY, Mobedi M, Yang X, et al. 2025. Influence of Anisotropy on Thermal Management in an Unconsolidated Porous Energy Storage Cavity. GeoStorage, 1(2), 158-170. doi:10.46690/gs.2025.02.05.

一、研究背景

在地下储能系统中，热管理是直接影响系统效率、运行安全性与经济性能的核心技术，其范畴不仅涵盖储能过程中的温度精准调控，还包括储层与周边地层的热相互作用、流体流动特性、热交换效率优化及系统长期稳定运行保障等关键环节。多孔介质中的热传递作为热管理的核心组成部分，对提升地下储能系统能效、推动碳中和目标实现具有重要支撑意义。

      为明确各向异性结构对储能腔体热管理的影响机制，本文通过构建单一方向及双向（x、y 方向）不同梯度孔隙率的疏松多孔结构模型，采用数值模拟方法开展针对性研究。研究中重点对比分析了纯导热与自然对流两种工况下恒功率界面的温度分布特征，系统总结了不同梯度孔隙率结构对热量传递规律的影响。该成果可为地下储能系统的热管理方案设计提供可靠的理论参考。

二、核心内容

        为了研究各向异性结构对储能腔体热管理的影响，使用有限元软件构建了梯度孔隙率结构物理模型（见图1(a)），并对腔体内部的流动传热过程进行了数值模拟（见图1(b)）。从温度场和流场分布可以看出，在垂直方向上存在明显的温度不均匀分布，这表明在孔隙率较大的区域，空气的自然对流对恒功率界面的温度分布有着显著的影响。

图1：梯度孔隙率结构物理模型及温度场、流场分布

       在纯导热工况下，空气与多孔结构间的热传导过程不受重力影响。因此，从靠近恒功率热源界面的块体温度分布（见图2(a)）可清晰观察到热量沿 x 方向传递的均匀性。然而，当多孔介质在 y 或 z 方向存在梯度孔隙率时，情况则有所不同。由于空气热导率较低，其传热性能较差，导致热量倾向于在孔隙率较大的区域聚积。尽管热界面施加了均匀的热通量，这种聚积效应仍会在恒功率界面上形成明显的温度梯度（见图2(a)）。该现象主要由两个因素共同导致：一是多孔介质腔体内的纯导热机制，二是 y 或 z 方向上存在的各向异性孔隙率梯度分布。

图2：纯导热工况下单一方向上梯度孔隙率结构和恒功率界面的温度分布

       自然对流的引入显著改变了恒功率界面的温度分布（见图3）。这种影响与孔隙率梯度分布特征密切相关。对于正向梯度孔隙率分布（孔隙率沿x方向增大）： 靠近恒功率界面的区域孔隙率较大，这为自然对流提供了更有利的流动通道。受热空气在此区域产生并沿竖直方向（从底部向顶部）流动，形成了较强的对流换热。这种对流效应打破了原有的导热平衡，导致恒功率界面上出现了明显的温度梯度。对于负向梯度孔隙率分布（孔隙率沿x方向减小）： 靠近恒功率界面的区域孔隙率较小，限制了空气的流动空间，从而抑制了自然对流的发展。因此，该区域的传热机制更接近于导热，使得恒功率界面上的温度分布相对均匀。此外，与纯导热工况类似，当存在垂直方向（y或z方向）的梯度孔隙率分布时，由于热量在低孔隙率区域更易积聚，高温区域同样会集中在腔体的顶部和底部边缘。

图3：自然对流工况下单一方向上梯度孔隙率结构和恒功率界面的温度分布

       如图 4 所示，在纯导热与自然对流两种工况下，具有相同梯度孔隙率分布的多孔结构，其恒功率界面的无量纲温度方差存在显著差异。这一现象表明，自然对流会对多孔结构的换热性能产生显著影响，且该影响在 x、y 方向具有梯度孔隙率结构的腔体中表现尤为突出。具体来看，在纯导热工况下，x 方向（含正向与反向）梯度孔隙率分布腔体的恒功率界面上，Imax 与 Imin 的值几乎为零。这意味着，此类腔体恒功率界面的温度变化可忽略不计。而自然对流的介入会改变这一规律：由于自然对流对靠近热表面的低孔隙率区域的热传递行为具有显著调控作用，当工况从纯导热切换为自然对流时，x 方向梯度孔隙率分布多孔结构腔体的恒功率界面上，Imax 与 Imin 的值较纯导热工况出现明显增大。

图4：单一方向梯度孔隙率分布下恒功率界面无量纲温度的方差与变化强度

       梯度孔隙率结构能够在空间上实现导热路径与流动阻力的同时调控，使得高孔隙率区域促进流动、低孔隙率区域增强导热。对于地下储能系统（如地热换热、热能储存腔体、地下相变储能），这种结构有望显著提升传热速率并改善温度场均匀性。通过设计空间梯度分布的孔隙率，可实现材料用量优化，降低施工成本，并赋予结构不同区域的功能特性（导热、透气、储能载体），为地下储能系统的集成化设计提供新思路。

三、作者简介

第一作者：王春阳，男，2020年10月毕业于日本国立静冈大学能源与环境系统专业，在国家留学基金委的资助下获得工学博士学位，同年12月份进入中国科学院工程热物理研究所博士后流动工作站（合作导师为陈海生研究员），2023年3月份博士后出站后留所工作，主要从事能源储存与高效利用、固-液相变储热、多孔介质传热传质以及强化传热等相关工作，担任GeoStorage期刊青年编委，Energy等SCI源期刊论文审稿专家。先后主持或参与中国博士后科学基金、国家自然科学基金、中国科学院先导专项、国家重点研发计划课题等多项。近年来，在Nature Communications、Nano Energy、Renewable and Sustainable Energy Reviews、International Journal of Mechanical Sciences、Applied Thermal Engineering、International Journal of Heat and Mass Transfer等期刊发表论文30余篇，其中以第一作者或通讯作者身份在等期刊上发表论文15篇，Google学术引用700余次；获省部级科技发明奖2项，授权发明专利5项，并多次在国内外学术会议上做邀请报告。

通信作者：陈海生，研究员，博士生导师，现为中国科学院工程热物理所所长，国家杰青和万人领军人才入选者，兼任中国工程热物理学会副理事长、中国化工学会储能专委会副主任委员等。长期从事大规模物理储能的基础理论、关键技术及系统集成研究。牵头建成国际首套1.5MW、10MW、100MW和 300MW先进压缩空气储能示范系统。主持国家自然科学基金项目、中国科学院先导科技专项、国家科技部 863重点项目等 40余项。已发表学术论文 500 余篇，其中 SCI论文 300 余篇，论文总引 30000 余次，授权专利 300 余项。曾荣获中国青年科技奖特别奖、北京市科学技术奖一等奖(2 项)、中国科学院青年科学家奖、腾讯科学探索奖、日内瓦发明展金奖、英国皇家学会牛顿高级学者奖等奖励。

张    挺，中国科学院工程热物理研究所研究员，博导。中国科学院大学教授，中科南京未来能源研究院新技术中心主任。主要从事高性能热电能量转换材料与器件，微纳热物性测试技术，储氢技术以及基于功能纤维的可穿戴能源和传感器件等方面的研究工作。近年来主持国家及省部级科研项目13项。基于热拉制技术创新性地研发了热电、光电、压电和储能等柔性功能纤维器件，取得了一系列优秀成果，发表论文80余篇，获授权4项国际专利和26项中国专利，获省部级技术发明二等奖1项，编写2部英文专著。担任The Innovation，InfoMat，Research，Carbon Neutrality，Advanced Fiber Materials，Materials Lab等学术期刊编委/青年编委，中国真空学会薄膜专业委员会委员，中国指挥与控制学会科技创新工作委员会副主任委员，中国材料研究学会热电材料及应用分会理事等。

郑兴华，中国科学院工程热物理研究所研究员、博士生导师。主要从事多维跨尺度热/电物性表征技术及仪器研发、热电输运机理及传蓄热机理研究。自主研制了多维跨尺度材料热/电性能分析仪，实现了纳米到宏观各类材料（一维单根纤维、二维薄膜、三维体材料）热电物性的原位直接表征；提出热晶体管设计方法及热流输出特性曲线；研制抗过载及微重力环境散热系统。发表包括Nature Communications、Nano Energy、Carbon等学术论文80余篇；授权发明专利19项，实用新型14项。主持国家自然基金、中国科学院仪器研制、中航产学研等项目。获中国材料研究学会技术发明二等奖、中国仪器仪表学会“朱良漪”创新成果奖、中国科学院大型仪器区域中心突出贡献奖等。