《Results in Engineering》：Turbulent Forced Convection and Entropy Generation Analysis in a Rectangular Channel with T-Shaped Rib Turbulators and CuO/Water Nanofluid
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研究人员针对紧凑高效热管理系统的迫切需求，对带T形肋片矩形通道内的湍流强制对流及CuO/水纳米流体的熵产特性展开数值研究。采用有限元法（Finite Element Method, FEM）结合重整化群k-ε（Renormalization Group k-e
研究人员针对紧凑高效热管理系统的迫切需求，对带T形肋片矩形通道内的湍流强制对流及CuO/水纳米流体的熵产特性展开数值研究。采用有限元法（Finite Element Method, FEM）结合重整化群k-ε（Renormalization Group k-epsilon, RNG k-ε）湍流模型与增强壁面处理（Enhanced Wall Treatment, EWT），考察雷诺数（Reynolds number, Re）4000–22000、节距比（Pitch-to-height ratio, P/e）6–12的参数空间，工质为体积分数3%的氧化铜/水纳米流体（CuO/water nanofluid）。结果表明，T形肋片的加宽头部可增强涡脱落与边界层扰动，收窄颈部可降低形状阻力，二者解耦实现换热增强与阻力控制的平衡。纳米流体通过麦克斯韦（Maxwell）模型提升导热系数，布林克曼（Brinkman）模型修正黏度，与肋片产生协同强化效应。研究同步开展第一定律（热流体效率因子，Thermo-Fluid Efficiency Factor, TFEF）与第二定律（熵产率、贝让数Bejan number, Be）性能评估，发现P/e=12、Re=4000时TFEF达最大值3.17，较同参数下铆钉形肋片提升47%；总熵产随Re与P/e增大单调递减，热不可逆性占比超97%，第一与第二定律优化结果一致指向P/e=12为最优构型。研究建立的幂律关联式（R2≥0.975）可为该构型工程应用提供设计依据。
该研究发表于《Results in Engineering》，针对电子器件小型化、聚光太阳能接收器热负荷攀升及航空航天换热器高性能需求带来的紧凑高效热管理系统研发瓶颈展开。当前被动强化技术中，传统对称肋片难以同时兼顾换热增强与阻力控制，现有T形肋片研究多采用空气工质且未结合纳米流体热物性优势，缺乏第一与第二定律联合的性能评估体系。为此，研究人员提出一种头部加宽、颈部收窄的改进型T形肋片，结合体积分数3%的CuO/水纳米流体，系统探究其热工水力与热力学不可逆性特征，填补了几何优化与纳米流体协同作用的研究空白，为热管理系统能效提升提供新思路。
关键技术方法方面，研究人员采用二维稳态不可压缩湍流模拟框架，工质按单相等效介质处理，物性基于Pak-Cho密度与热容模型、Maxwell导热系数模型及Brinkman黏度模型计算。湍流封闭选用RNG k-ε模型配合EWT，近壁区网格满足y+<1，通过网格独立性验证（206854单元）与实验数据对标（平均偏差2.01%）确保精度。参数空间覆盖Re=4000–22000、P/e=6/8/10/12共40个工况，同步开展第一定律（Nu、f、TFEF）与第二定律（熵产分解、Bejan数）量化分析，最终拟合得到幂律形式的经验关联式。
研究结果部分，流动与温度场拓扑显示T形肋片下游形成周期性再附着区，头部加宽延长再附着长度，颈部收窄降低阻塞效应，P/e增大时再附着区扩展，高温梯度区域占比提升。平均努塞尔数（Nuavgr）随Re与P/e单调上升，P/e从6增至12时提升47%–67%，Re=22000、P/e=12时达261.4，较光滑通道提升121%，归因于肋片诱导的二次流混合与纳米流体导热增强的协同作用。平均摩擦因子（fav）随Re呈近Blasius规律下降，P/e敏感性较弱（指数0.118），最大阻力比fav/fs为2.12，窄节距低Re下阻力偏高，但整体阻力增长远低于换热增益。努塞尔数增强比（Nuavgr/Nus）为1.83–2.77，始终高于摩擦增强比（1.60–2.12），奠定TFEF>1的基础。热流体效率因子（TFEF）随Re增大单调递减、随P/e单调递增，P/e=12、Re=4000时达峰值3.17，P/e=6、Re=22000时为最低值1.06，高Re下建议采用P/e≥8以保证TFEF>1.1。熵产分析表明热熵产占总熵产的97.1%–99.99%，贝让数Be>0.97，总熵产随Re与P/e增大单调递减，P/e=12时熵产最低，与第一定律最优构型完全一致；Re≥18000时湍流耗散熵产增速加快，成为高Re下TFEF衰减的第二定律诱因。
讨论与结论部分，研究人员指出改进型T形肋片通过几何解耦实现了换热与阻力的协同优化，CuO/水纳米流体进一步放大了强化效果，二者结合在低中Re区间（4000–14000）展现出显著的热力学优势。第一与第二定律评估结果均指向P/e=12为最优参数，该构型在保障换热增益的同时将泵功代价控制在合理范围，适用于太阳能集热器、液冷换热器等场景。研究建立的经验关联式精度可靠，可直接用于工程设计。未来研究可拓展至三维构型、变体积分数、非均匀热流及更高Re区间，进一步揭示纳米颗粒迁移与肋片扰流的耦合机制。
