第四代核反应堆的发展重点在于安全性、燃料效率和可持续性的创新。铅冷快堆（LFRs）因其能在高温下运行且具有固有的安全性（由于LBE的高沸点）以及优异的中子经济性而备受关注（Li和Zhibin等人，2021年）。随着对高效能量转换需求的增长，将LFRs与sCO2布雷顿循环结合成为一种颠覆性方法。这种结合利用了sCO2的高密度和低压缩比特性，提高了能量转换效率，同时最小化了系统体积（Ejaz等人，2025年；Pandey等人，2020年）。印刷电路换热器（PCHE）在实现LFRs和sCO2循环的无缝集成中起着关键作用。作为一种能够承受极端热梯度和液压压力的紧凑型传热装置，PCHE在LFR/sCO2接口系统中变得不可或缺。其优势在于两个关键属性：超高的表面积密度（高达2500 m2/m3），这最大化了传热效率；以及出色的结构强度，确保在恶劣操作条件下的可靠性。
Liu等人（2020年）回顾了先进核系统中sCO2用PCHE的热-水力性能和优化，发现半圆形截面的之字形通道在传热、压降和制造成本之间取得了平衡。Jeon等人的早期研究验证了特定尺寸通道几何形状（宽度0.8毫米，间距1.5毫米）的异质PCHE配置在sCO2循环中实现了热效率和压降特性的最佳平衡（Jeon等人，2016年）。Xu等人进一步为280 MW的LFR设计了PCHE，实现了181 MW/m3的体积传热率。与传统壳管式换热器相比，这种PCHE轻5.7倍，紧凑度提高了25倍（Xu等人，2023年）。
为了理解PCHE中的基本传热动力学，实验研究提供了关键见解。Cui等人对LBE/sCO2耦合传热进行了开创性实验，发现当雷诺数增加75%时，伪临界区域（310 K，8 MPa）的sCO2传热系数增加了115%（Cui等人，2022年）。Aakre等人研究了扩散键合PCHE中的钠/sCO2传热，发现钠侧传热符合Lubarsky-Kaufman关联，而sCO2的行为需要混合计算-实验建模（Aakre等人，2023年）。
热侧的LBE具有较低的普朗特数，这促进了流体中自由流速度的快速形成，其较高的热导率使得热量高效传递到核心流体区域。值得注意的是，与动量和热扩散传输机制相比，热导率机制变得不可忽视。
对于冷侧，当CO2的压力和温度超过其临界值（Pcr = 14.0 MPa，Tcr = 61 ℃）时，称为sCO2。当超临界压力CO2的温度超过61 ℃时，具体来说，比液相时热容量超过两倍的区域定义为伪临界区域。对于CO2来说，这意味着该区域的热容量超过7.672 kJ/(kg·K)。在这个区域内，sCO2的热物理性质表现出显著波动，导致加热过程中径向和轴向的湍流和温度分布高度非线性。这导致了独特的气流速度剖面、剪切应力分布以及明显的浮力和加速效应，这些效应可能增强或减弱传热。
实验研究的补充，数值模拟已成为优化PCHE几何形状的强大工具。Liu等人使用CFD分析了组合通道PCHE（直线+之字形），并报告LBE/sCO2流动的传热提高了12.6%，压降降低了<5%（Liu等人，2023年）。Zhao等人模拟了螺旋形通道的PCHE，发现由于螺旋几何形状增强了湍流，性能提高了59.6%（Zhao等人，2022年）。Luo和Li优化了带有翼型 fins的之字形通道，使LBE/sCO2应用的Nu提高了32.7%，功率密度提高了51.5%（Luo和Li，2025年）。Peng Xu等人数值研究了双D型PCHE中的耦合传热，发现将sCO2的质量流量增加100%可使整体传热系数提高18.2%，而将管径从2.4毫米减小到1.8毫米可使传热系数提高37.2%。他们还发现壁厚减小0.1毫米可使总传热率提高2.8%（Xu等人，2023年）。Muhammad Salman Khan等人概念性地设计了一种用于LFR的紧凑型换热器。数值结果表明，使用LBE和PLW作为工作流体时，其最大整体传热系数达到了7528 W·m?2·K?1，效率为0.79。他们的发现显示Nu数值结果与关联性的偏差仅为2%至8%（Khan等人，2021年）。
当前的研究重点是非对称印刷电路换热器（PCHE）设计，传热增强的研究转向了换热通道的非对称配置。研究人员探索了“1对2”通道设计以改善LFR/sCO2系统的传热性能。对于LFR/sCO2系统，具有1对2通道配置（一个LBE通道与两个sCO2通道）的ACPCHE受到了关注。Liu等人通过数值模拟表明，sCO2入口流量增加1 kg/s可使传热功率提高335.77 kW，突显了冷流体在非对称换热中的主导作用（Xi等人，2019年）。结构改进进一步提高了这些设计的性能。例如，半径为5毫米的半圆形肋条可将Nu提高7.3%，系统能量效率提高41.2%（Jing等人，2020年），而鳍片角度调整（100°-130°）显示了传热（减少48%）和摩擦（减少14%）之间的权衡（Saeed等人，2017年）。Niu等人对Z型PCHE中的sCO2/熔盐流动和传热性能进行了数值研究。他们发现Z型PCHE的传热能力优于直线型PCHE，双工作流体与单工作流体的传热系数比达到了1.4（Niu等人，2024年）。Su等人使用OpenFOAM中的4eqnChtFoam求解器开发了该模型，将计算结果与实验结果之间的平均相对偏差降低到8%以内。他们发现将sCO2入口的Re从20,000增加到80,000可使整体传热系数提高约40%，其中传热阻力主要由sCO2侧主导（Su等人，2023年）。Liu等人数值研究了直线通道PCHE中sCO2和铅铋共晶的耦合传热，发现将sCO2的入口质量流量增加1 kg/s可使传热功率提高335.77 kW，突显了sCO2在传热过程中的关键作用（Liu等人，2023年）。后来，Liu等人比较了三种PCHE模型，发现“1对2”通道布局（一个LBE通道与两个sCO2通道）具有最佳的传热性能。他们定量确定直径比为2.25时整体传热系数最大，当热流体和冷流体之间的传热系数差异超过10倍时，这种布局适用（Liu等人，2024年）。
尽管非对称设计具有潜力，但将其扩展到工业规模系统带来了新的挑战。关于多通道可扩展性的研究指出，流动分布不均是一个关键问题。Riahi等人模拟了钠/sCO2 PCHE，发现半圆形波浪通道可将不均匀性降低15%，有效传热提高了10%（Riahi等人，2022年）。Li等人使用OpenFOAM模拟了直线通道PCHE，发现sCO2质量流量增加60%可使平均传热系数提高41.2%（Li等人，2024年），而Xi等人通过加速器驱动亚临界系统（ADS）反应器中的LBE/氦气传热实验提供了交叉验证（Xi等人，2019年）。
尽管取得了显著进展，但在理解非对称紧凑型PCHE中的传热不均匀性方面仍存在关键差距。Liu等人的综合综述总结了PCHE技术，但指出非对称紧凑型PCHE中的传热不均匀性是一个未解决的问题（Liu等人，2023年）。在换热器运行过程中，液态LBE出口处的温度不均匀性会引发一系列热-水力问题。作为具有高热导率的液态金属，LBE的温度差异会导致密度分布不均，从而引起流动不稳定，并形成局部流动速度过高或过低的区域，这会降低传热效率。同时，热梯度会在换热器管子和结构部件中引起显著的热应力，可能导致材料疲劳、变形，甚至在长时间运行下开裂，从而严重威胁设备的结构完整性（Saito等人，2025年）。此外，对于用于能量转换循环的sCO2，温度不均匀性会直接破坏循环的热力学性能，偏离标准条件，降低整体发电效率。
我们的目标是研究ACPCHE中sCO2和LBE之间的传热不均匀性。具体而言，本研究旨在通过剖析温度场不均匀分布背后的物理机制来提高换热器的运行安全性和能源效率。通过建立换热器核心中单个传热单元的几何模型，并基于基于CFD的流体-固体单向耦合方法，研究了标准条件下的换热器温度特性。此外，还增加了八种调整后的操作条件（LBE和sCO2的质量流量分别增加/减少了20%），以研究温度不均匀性的变化规律。研究结果可以直接指导提高运行安全性和传热效率。
