六边形腔体中空气动力学调制器的共轭传热特性研究：NACA翼型对混合对流换热的影响

本研究针对六边形腔体中的共轭混合对流传热问题，对比分析了NACA 0015、0021、4412、6421和矩形调制器的性能。结果表明，NACA 0021在传热效率（Nuavg=11.54）和流动稳定性（Iavg=24.36%）方面表现最优，但能耗较高（CPloss,avg=0.096）；而NACA 6421在传热与能耗间取得平衡（Nuavg=11.51，CPloss,avg=0.084）。研究为热流系统优化设计提供了新思路。

　　

在工程热物理领域，高效传热与低能耗始终是系统设计的核心矛盾。六边形腔体因其独特的几何结构，在太阳能集热、电子冷却等领域具有广泛应用，但相关研究仅占腔体传热研究的1.3%，远低于方形腔体（47.5%）和三角形腔体（14.1%）。更棘手的是，传统矩形调制器虽结构简单，但其尖锐边缘易引发流动分离和能量损耗。如何通过空气动力学优化提升调制器性能，成为亟待解决的科学问题。

研究人员以NACA系列翼型为突破口，选取对称型的NACA 0015、0021和非对称型的NACA 4412、6421作为调制器原型，在Re=10²-10³、Ra=10⁴-10⁶、Bi=10³-10⁴参数范围内，采用COMSOL Multiphysics进行瞬态数值模拟。通过移动网格技术处理旋转域与静止域的耦合，结合任意拉格朗日-欧拉方法（ALE）确保流固界面连续性。研究创新性地引入熵生成分析（S_avg）和功率不稳定性指标（I_avg），从热力学第二定律角度评估系统性能。

5.1 传热特性
NACA 0021以Nu_avg=11.54（Re=10³, Ra=10⁶）成为最佳传热体，其21%的相对厚度（thickness-to-chord ratio）有效增强了边界层扰动。令人意外的是，非对称翼型NACA 4412的传热性能甚至低于矩形调制器，揭示出封闭腔体内翼型弯度（camber）可能抑制涡流生成。

5.3 功率损耗
NACA 6421展现出最优能耗特性，CP_loss,avg较矩形调制器降低7.5%。厚度分析表明，0.0285L的平均厚度使其在减阻与传热间取得平衡，印证了"厚度双刃剑"效应——过薄（如矩形0.01L）导致流动控制不足，过厚（如NACA 0021的0.0288L）增加摩擦损耗。

5.4 功率不稳定性
对称翼型在稳定性方面表现突出，NACA 0021的I_avg最低（24.36%）。值得注意的是，所有调制器在Re=500附近出现稳定性"甜蜜点"，此时I_avg降至13-16%，为系统优化提供关键参数。

5.5 熵生成
矩形调制器以S_avg=0.36成为熵生成最低的构型，其薄刃结构减少了温度梯度。但厚度仅为0.0164L的NACA 4412却因流动分离产生更高熵值，证实几何设计比单纯减薄更重要。

这项发表于《Results in Engineering》的研究，首次系统评估了空气动力学调制器在六边形腔体中的综合性能。其核心价值在于揭示：1）传统认知中"空气动力学优化必然提升性能"的规律在封闭腔体中存在例外；2）Re=500可能成为平衡传热与稳定性的黄金工况；3）熵生成分析为热流系统提供了超越Nu数的评价维度。这些发现对航空航天热防护、电子器件冷却等领域的轻量化设计具有直接指导意义，特别是为高Ra数工况下的调制器选型提供了量化依据。未来研究可拓展至湍流 regime，并探索非对称翼型的角度适应性优化。