混合纳米流体在螺旋弯曲管中强化传热的数值模拟研究及其性能优化

本研究针对传统换热器能效低下的问题，通过CFD数值模拟探究了Water/Ag-MgO和Water/Al2O3-CuO混合纳米流体在螺旋弯曲管内的传热特性。结果表明，高体积分数纳米流体可显著提升热效率（最高达Re=2000时），但伴随压降增加，为工业换热器设计提供了关键参数优化依据。

　　

在全球能源紧缺与工业能耗成本攀升的背景下，换热器作为能源系统的核心部件，其性能优化成为研究热点。传统换热器面临传热效率低、空间占用大等瓶颈，而纳米流体技术因其卓越的导热性能被视为突破方向。尤其螺旋弯曲管结构能通过二次流强化传热，但混合纳米流体在此类复杂流道中的热力行为尚不明确。

研究人员采用基于有限体积法(FVM)的计算流体力学(CFD)技术，对三种工质（纯水、Water/Ag-MgO和Water/Al₂O₃-CuO混合纳米流体）在Re=500-2000的层流工况下进行三维模拟。研究重点分析了体积分数(φ=0.05%-0.2%)对热效率与压降的影响，并通过对比不同几何参数揭示流场调控机制。该成果发表于《Powder Technology》，为高功率电机、航空发动机等受限空间的散热设计提供了新思路。

关键技术包括：1) 基于FVM的三维湍流建模；2) 多物理场耦合计算（温度场/速度场/压力场）；3) 纳米流体物性参数化方法；4) 螺旋管曲率半径的几何优化算法。

问题陈述
通过建立螺旋弯曲管的三维模型，比较纯水与两种混合纳米流体在不同Re下的性能差异。重点考察φ=0.05%-0.2%范围内，Ag-MgO与Al₂O₃-CuO纳米颗粒对热效率的增益效果。

数学建模
采用连续性方程(?u/?x+?v/?y+?w/?z=0)与动量-能量耦合方程，引入纳米流体等效导热系数模型。其中Water/Ag-MgO在φ=0.2%时导热系数提升达23.7%，验证了纳米颗粒的协同效应。

结果讨论

1. 热效率呈现非线性增长：当Re<1000时提升显著，之后增速放缓；
2. Water/Ag-MgO在φ=0.2%时取得峰值效率（较纯水提升34.5%），但压降增加82%；
3. 二次流涡旋强度与管壁曲率呈正相关，Al₂O₃-CuO在低Re下更易形成均匀温度场。

结论
研究证实混合纳米流体可突破纯水的传热极限，但需权衡效率与压降。Water/Ag-MgO在高温工况下优势明显，而Al₂O₃-CuO适合低流速场景。该成果为航天、电子器件冷却等领域的微型化换热器设计提供了理论支撑，特别是解决了旋转机械中空间约束与散热需求的矛盾。