使用性能评价准则的不同流动湍化方法的热交换器通道热-流特性的比较数值分析

《Energies》：Comparative Numerical Analysis of Thermal–FlowCharacteristics of Heat Exchanger Channels with Different Flow Turbulization Methods Using Performance Evaluation Criteria

　　

本文介绍了采用被动传热增强方法的热交换器通道的数值CFD（计算流体动力学）研究结果。研究人员分析了两种不同流动湍化方法的通道几何形状。在案例I中，管壁上施加了内部微翅片，其直接干扰边界层内的流动；研究的相对翅片高度范围为0.01 h/D 到0.08 h/D，无量纲纵向间距从0.92 L/D 变化到3.27 L/D。在案例II中，使用了具有重复液滴形元件的插入件，引起管芯内的流体湍化；相对液滴直径范围为0.38 d/D 到0.73 d/D，纵向间距与翅片相同。研究人员在雷诺数（Reynolds number, Re）范围5000到400,000内，研究了干扰元件的几何形状和纵向间距对此类通道热-流特性的影响，即摩擦因子（friction factor, f）、努塞尔数（Nusselt number, Nu）以及使用性能评价准则（Performance Evaluation Criteria, PEC）评估的热效率。结果表明，插入件使努塞尔数增加更大，而微翅片管由于水力损失较低，通常获得更高的PEC值。结果清楚地表明，在大多数情况下，翅片管的PEC更高，特别是在不超过50,000的低雷诺数下。反过来，对于插入件，元件之间的纵向距离L对PEC有显著影响；随着L增加，PEC也增加，并在最大L处达到最大值。

### 论文解读：基于性能评价准则的换热器通道不同流动湍化方法比较数值分析

#### 一、研究背景与问题

在工业换热器中，强化传热技术常采用被动方法以降低成本并简化结构。被动强化传热主要通过两种机制实现：一是壁面湍流器（如微翅片），通过扰动边界层增强近壁区对流换热；二是管内插入件（如液滴形元件），通过影响管芯流动加剧整体湍流混合。尽管已有大量研究分别探讨微翅片和插入件的传热与流动特性，但现有文献缺乏在相同几何、热力与流动条件下对这两种方法的直接比较。特别是，不同湍化机制（壁面局部扰动 vs. 管芯整体扰动）如何影响最终的热-水力效率（以PEC评估）尚未得到充分解释。因此，本研究旨在宽雷诺数（Reynolds number, Re）范围内定量比较两种被动方法，识别对换热器通道优化最为关键的几何参数。该论文发表在《Energies》。

#### 二、主要技术方法

研究人员采用数值CFD（计算流体动力学）方法，使用剪切应力输运k-ω SST（Shear Stress Transport k-ω）湍流模型模拟流动与传热。几何模型简化为10°周期性扇区，施加平移周期边界条件以模拟充分发展流动，管壁施以恒定线性热流密度（q_L = 500 W/m）。进行网格独立性测试，选定平均单元尺寸H = 0.4 mm、体积V_cell = 0.064 mm³的网格，确保y⁺ < 2。数据后处理计算摩擦因子（friction factor, f）、努塞尔数（Nusselt number, Nu）及性能评价准则（Performance Evaluation Criteria, PEC），其中光滑管参照布拉修斯公式（Blasius equation）和迪图斯-贝尔特公式（Dittus–Boelter correlation）。

#### 三、研究结果

**4.1 摩擦因子**
研究人员通过对比不同纵向间距（L/D = 0.92, 1.38, 3.27）下的摩擦因子曲线发现：对于微翅片管，翅片高度越大、间距越小，摩擦因子越高；最小翅片高度时摩擦因子接近光滑管。对于液滴形插入件，同样间距越小阻力越大，且所有曲线在对数坐标下近乎平行。进一步分析f/f_s比值表明，插入件引起的流动阻力增加（最高达光滑管的25倍）远大于微翅片管（最高约10倍），这是因为插入件扰动整个管截面，而微翅片仅作用于壁面附近。

**4.2 努塞尔数**
努塞尔数随雷诺数单调增加，且较小间距、较大元件尺寸带来更高Nu值。插入件提供的传热增强（最大约30%）优于微翅片管，尤其在小间距和大液滴直径时，因为插入件迫使流体加速并强化近壁温度梯度。Nu/Nu_s比值图中，插入件同样表现出更显著的增强效果，其影响遍及核心流区域。

**4.3 性能评价准则**
PEC评估显示：微翅片管在多数情况下获得更高PEC值（最高约1.5），尽管其Nu增加较小，但因水力损失更低，综合热-水力性能更优。对于微翅片，较大翅片高度（h/D = 0.05, 0.08）在低雷诺数（Re < 20,000）时PEC最高，随后随Re升高而下降；较小翅片高度（h/D = 0.01, 0.02）则在高Re下PEC增大。插入件的PEC随Re增加而上升，且纵向间距L/D对其影响显著——间距越大，PEC越高，最大间距L/D = 3.27时其PEC可与小翅片高度微翅片管在高Re下持平。

**4.4 几何对速度场和温度场的影响**
通过对比Re = 50,000时三种间距的流场与温度场，研究人员发现：微翅片主要扰动近壁区域，核心流相对有序，导致中等Nu增加与适度阻力上升；插入件则迫使流体绕过元件，在壁面附近产生加速并诱发涡结构，显著增强横向混合，从而获得更高Nu但代价是更大压降。这些可视化结果直接解释了前述f、Nu及PEC的变化趋势。

#### 四、讨论与结论

讨论部分指出，两种方法各有优劣：插入件传热增强更强，但压降过高，仅在较大间距时PEC接近微翅片；微翅片则在宽Re范围内提供更均衡的热-水力性能。几何优化需同时考虑Nu、f及PEC，因为单纯追求最大传热增强并不总能获得最佳能效。

**研究结论（翻译自原文5. Conclusions）：**
本文展示了管中两种不同被动传热强化方法（置于通道壁上的微翅片和带有液滴形湍流器的内部插入件）的数值计算结果。基于分析，得出以下结论：
- 两种几何均使努塞尔数相比光滑管增加，但湍流插入件提供更大的传热强化（最高约30%），因其影响整个流动截面并更强烈地增强流体混合。
- 液滴形插入件引起的流动阻力增加显著大于微翅片（最高达25倍），这是由于流体被迫绕流元件，导致全通道速度场更严重变形。
- 对于微翅片，纵向间距L/D对PEC影响中等，而相对高度h/D和雷诺数范围起关键作用。较大翅片高度时PEC在低Re下最高（约1.5），较小翅片高度时PEC在高Re下最大。
- 对于湍流插入件，间距L/D对热-水力性能影响更显著；随间距增大，水力损失降低且PEC升高，最大间距L/D = 3.27时PEC与最小翅片高度微翅片在高Re下相当。
- 通道几何优化需同时考虑努塞尔数、摩擦因子和PEC，因为传热增强最强的几何并非自动最节能。结果表明，插入件更强的传热增强常被更高压降抵消，而微翅片管在宽Re范围内提供更均衡的热-水力性能。