三维管道中的热-水性能提升：一项采用多种被动方法中断几何形状的参数化研究

《ARABIAN JOURNAL FOR SCIENCE AND ENGINEERING》：Thermal–Hydraulic Performance Improvement in 3D Pipes: A Parametric Study Employing Various Interrupted Geometries of Passive Methods

热管系统内几何结构对传热性能的影响研究

　　

摘要

本研究展示了一种原型设计，该设计采用了胶带插入件、凹坑和波纹环，旨在提升管道系统的热性能。该原型的核心部件是胶带插入件，其外部还分布有策略性布置的凹坑和波纹环。为了评估这种设计的流体流动特性和传热能力，研究人员进行了实验研究和计算流体动力学（CFD）分析。在恒定热流边界条件下，对热入口区域进行了全面模拟，假设流动状态为湍流，并考虑了不同的雷诺数（Re）。数值分析与实验数据高度一致，努塞尔数（Nu）的偏差为±6.2%，摩擦因子的偏差为±6.8%。这些几何结构的插入件显著提升了整体传热效率，传热效果提升了高达1.8倍。值得注意的是，这些插入件在管道内部引发了旋流模式，表现为胶带两侧形成了涡旋对，从而增强了管道内的传热效率。通过系统的参数分析，详细研究了凹坑和波纹的尺寸及幅度等几何参数对热-水力性能的影响。研究结果表明，随着雷诺数的增加，热性能会下降；相反，增大凹坑尺寸并优化波纹轮廓可以提高热效率。这项研究强调了所提出设计在提升管道系统热性能方面的显著效果，为开发适用于各种工程应用的高级换热器奠定了基础。通过证明这些创新插入件的有效性，本研究为高性能热系统的持续发展做出了贡献。