镰刀形挡板强化管式换热器内空气流动与传热特性的数值模拟研究

研究人员针对太阳能空气通道热强化需求，创新性提出镰刀形挡板结构，通过数值模拟（ANSYS-FLUENT 2023 R1求解Navier-Stokes方程与k-ε湍流模型）发现：当雷诺数Re=10,000时，挡板高度从40增至80mm可使努塞尔数Nu提升41.65%，最高热工水力性能因子达1.74。该研究为被动强化传热技术提供了新型几何优化方案。

　　

这项突破性研究采用计算流体力学(CFD)手段，对管式换热器中镰刀形(sickle-shaped)挡板的气流组织进行精细刻画。通过求解纳维-斯托克斯方程(Navier-Stokes equations)并结合k-ε湍流模型(k-ε turbulence model)，研究团队在ANSYS-FLUENT 2023 R1平台上揭示了这种特殊几何结构的强化传热机制。

当雷诺数(Re)达到10,000时，将挡板高度从40毫米提升至80毫米，可使努塞尔数(Nu)较光滑管道飙升41.65%。更令人振奋的是，在Re=87,300的高湍流工况下，传热强化效果更是突破性地达到134%。通过量化分析发现，最优配置σ₁在Re=10,000时取得1.74的热工水力性能因子(thermo-hydraulic performance factor)，完美平衡了传热增益与流动阻力这对矛盾体。

湍流动能(turbulent kinetic energy)分析显示，随着Re数增大，镰刀形挡板后方形成的涡流强度显著增强，这种独特的流动分离现象正是实现传热强化的关键。相比传统矩形或三角形挡板，这种仿生曲线设计在保持较低压降的同时，创造了更高效的二次流和湍流混合。该成果为新一代高效换热器设计提供了重要理论支撑。