多边形粗糙表面太阳能集热器中混合纳米流体热性能的数值研究及其优化

本研究通过CFD模拟分析了MWCNT-Al2O3/H2O、Al2O3-CuO/H2O等混合纳米流体在带多边形肋的太阳能集热器中的热性能，发现4%体积浓度的Al2O3/H2O在Re=50000时Nu值达462，THP提升50.65%，为高效太阳能热系统设计提供了新思路。

　　

在全球能源转型背景下，太阳能集热器作为可再生能源利用的关键设备，其热效率提升一直是研究热点。传统集热器使用水或合成油作为传热流体，但热导率低限制了性能突破。与此同时，人工粗糙表面虽能增强湍流却可能增加压降，如何平衡热增益与水力损失成为工程难题。

针对这一挑战，国内研究人员在《Results in Engineering》发表了一项创新研究，通过数值模拟探究了三种混合纳米流体（MWCNT-Al₂O₃/H₂O、Al₂O₃-CuO/H₂O和Al₂O₃/H₂O）在集成多边形肋的太阳能集热器中的热工性能。研究首次将高导热纳米流体与特定几何粗糙表面（p/e=5，e/D=0.2）结合，在Re=10000-50000范围内系统评估了Nu、?和THP的变化规律，为开发新一代高效集热系统提供了理论依据。

关键技术方法包括：1）采用ANSYS Fluent进行CFD（计算流体力学）模拟；2）基于RNG k-ε湍流模型和Gnielinski方程验证；3）通过网格独立性研究确定最优单元尺寸（1,45,925个单元）；4）利用SIMPLE算法处理压力-速度耦合；5）分析4种体积浓度（1%-4%）纳米流体的热物性参数。

2.1 物理模型与网格验证
建立2D圆形管道模型（L=1000mm，H=50mm），通过四组网格尺寸验证发现0.3mm单元尺寸的Nu预测误差仅3.8%，确保计算精度。多边形肋的独特几何结构（p/e=5）被证实能有效破坏边界层。

3. 纳米流体热物性
通过修正的Maxwell-Garnett模型计算显示，4% Al₂O₃/H₂O的导热系数达0.692W/mK，比基液高13.5%。布朗运动模型揭示纳米粒子微对流对热导增强的贡献率达35.7%。

5.1 Nu数提升机制
在Re=50000时，4% Al₂O₃/H₂O的Nu达462，比基液高0.39%。湍流动能图谱显示肋片下游形成周期性涡旋，使热边界层更新频率提升288%。值得注意的是，1%浓度时MWCNT混合流体的Nu增幅反而低于单组分纳米流体，表明存在最优配比。

5.2 摩擦因子特性
Al₂O₃/H₂O在1%浓度时?值最低（0.0960），比基液降低23.6%。速度云图揭示高Re下涡流区域缩小，证实"湍流平滑效应"可部分抵消粗糙度影响。

5.3 热工水力性能突破
1% Al₂O₃/H₂O在Re=10000时THP达1.16，意味着每单位泵功可获得16%的额外热收益。这种"低浓度高回报"特性使其特别适合低流速的分布式太阳能系统。

该研究通过多尺度优化策略，首次证明多边形肋与特定浓度纳米流体的协同效应：几何粗糙度主要增强近壁区传热，而纳米粒子则改善整体流体热输运能力。B.Varun Kumar团队提出的"THP=1.16"设计指标，为太阳能集热器从实验室走向规模化应用提供了关键技术参数。未来研究可进一步探索肋片形状-纳米粒子组合的智能匹配算法，以及在相变传热场景中的拓展应用。