固-液相变材料在相变过程中可通过相变潜能吸、放热从而维持系统温度近似恒定不变,这一良好特性使得其拥有巨大的潜在应用价值。航天工程中的保温系统、电子芯片的散热系统、建筑墙体的隔热系统以及交通道路的除冰系统等,均是相变储能系统的潜在应用背景。虽然相变储能系统前景可观,但相变材料的低热导率特性以及相变过程中因为浮力导致的熔化不均匀现象都是限制其高效换热的主要缺点。而且在数值研究过程中,对于常见的矩形储能容器常被简化为二维问题进行讨论,对矩形容器的不同面进行加热,用二维替代三维进行简化是否合理也有待研究。本文首先讨论了二维矩形和三维矩形内相变材料的熔化过程;之后,进一步研究了扩展换热面积（多孔介质、螺旋多翅片）对相变储能系统换热过程的改善作用。本文主要以数值研究为主,实验研究为辅的方式对改善相变储能系统换热过程的主要影响因素进行了详细研究。数值方法采用焓-多孔度法,实验方法采用时间曲线法。通过本文的研究,在以下几个方面取得了一定的研究进展:1、研究了在不同比例、不同加热面的矩形截面容器内相变材料熔化规律,对比了不同Rayleigh数下相变材料在二维矩形腔和三维矩形腔内熔化过程的差异,并给出适用于将三维问题简化为二维问题的前提条件。进一步总结出适用于不同比例、不同加热面矩形截面容器内,相变材料在熔化过程中的液相体积分数、Nusselt数、无量纲比焓随无量纲时间变化的预测经验式,为工程设计提供参考。2、结合了实验、理论及数值模拟的方式对具有倾角的相变材料-泡沫金属系统进行了全面研究,并以光伏散热为背景,数值研究了不同Rayleigh数下不同倾角的相变材料-泡沫铜系统对太阳能电池板的发电效率的影响。结果显示采用较小孔隙率泡沫铜虽然可以加快相变材料的熔化速率,但也会使散热时长缩短;改变相变材料-泡沫铜系统容器倾角,对光伏系统发电效率影响极小。3、设计了一种新型的螺旋多翅片管来改善相变材料换热效率。在多个螺旋翅片协同作用下,对熔化后的液态相变材料具有一定导流作用,而且可以减弱因自然对流引起的容器上下部分相变材料熔化不均匀的现象。相比于传统平直多翅片,螺旋多翅片的换热面积大大增加,当螺旋翅片数较少或螺旋周期较小时,增加螺旋周期或翅片数可显著提高相变效率。4、进一步探讨了添加纳米颗粒协同螺旋多翅片对相变材料熔化效率的改善问题。结果显示,选择具有较高热导率的纳米颗粒对相变材料熔化过程改善效果明显;增加纳米颗粒浓度对相变材料熔化效率改善效果不好,且会使系统总储能量降低;添加低浓度纳米颗粒并选择合适的螺旋周期数可大幅提高相变系统换热效率。