锥面传热特性的数值模拟研究：边界条件主导下的温度场分布规律

本研究针对锥形结构（喷嘴/扩压器）在航空航天、能源等领域的传热瓶颈问题，通过三维数值模拟分析了恒定/时变壁温（Twall ）与热通量（q″）四种边界条件下，铝/铜/钛锥体的对流换热特性。采用Realizable k-ε湍流模型与增强壁面处理（EWT）技术，发现流体整体温度（Tbulk ）呈指数/线性增长，稳定于900-4500 K区间，且材料属性与质量流量（2.0-5.6 kg/s）影响微弱，为热端部件设计提供了边界条件主导的新认知。

　　

在火箭发动机喷嘴开裂、太阳能集热器效率不足等工程问题频发的背景下，锥形结构的传热优化成为热管理领域的核心挑战。传统研究多聚焦单一边界条件或简化几何模型，而材料选择与流量调控的实际影响仍存争议。为此，Ghazaleh Babazadeh Asbagh团队通过三维数值模拟，首次系统揭示了锥面传热中边界条件的绝对主导地位。

研究采用Realizable k-ε湍流模型（一种改进的湍流计算模型）结合增强壁面处理（EWT）技术，对铝/铜/钛锥体在2.0-5.6 kg/s空气流量下的传热进行仿真。通过对比喷嘴（收敛流）与扩压器（发散流）构型，量化分析了恒定壁温（T_wall
）、恒定热通量（q″）、时变壁温和时变热通量四种工况的温度场演变规律。

Nozzle模式下的热力学响应
在恒定壁温条件下，流体整体温度（T_bulk
）呈现典型指数增长，最终稳定于900-1200 K；而恒定热通量工况则表现为线性升温趋势。值得注意的是，将壁材从铝（k≈237 W/m·K）替换为铜（k≈401 W/m·K）或钛（k≈21.9 W/m·K）后，温度曲线差异不足1%，颠覆了传统材料导热系数决定论。

Diffuser构型的非线性特征
当时变热通量（如q″=αt²
）作用于扩压器时，T_bulk
呈现显著的非线性跃升，最高可达4500 K。质量流量增加至5.6 kg/s仅使稳定时间提前15%，再次验证边界条件的关键作用。研究指出，湍流混合（turbulent mixing）与零厚度壁假设共同削弱了材料与流量的影响。

这项发表于《Next Research》的成果，建立了锥形结构传热的边界条件主导范式。其发现不仅解释了Joodaki等早期研究中几何敏感性的内在机制，更为喷嘴裂纹预防、太阳能集热器设计提供了直接理论支撑。通过否定材料优化的边际效益，研究团队强调应优先调控热边界条件，这对航空航天、食品干燥（如20°顶角喷嘴应用）等领域的能耗降低具有里程碑意义。