基于场协同原理的新型三棱柱肋管中超临界 CO2 传热增强

《International Journal of Heat and Fluid Flow》：Heat transfer enhancement of supercritical CO 2 in a novel triangular ? prism rib tube based on field synergy principle

　　

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  性能评价准则（PEC）值提升了 28%。
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  传热系数提升了 38%。
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  摩擦因子仅增加了 0.03。
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  场协同角度减小。

引言

随着社会经济快速发展，能源需求持续增长，导致能源供需矛盾日益突出。与传统工质循环相比，超临界 CO₂（sCO₂）循环表现出更高的能源效率和更优的紧凑性（di Filippo 等，2022, Sánchez 等，2023, Kudoma 和 Tekere, 2021）。Feher（1968）于 1967 年首次提出了 sCO₂ 布雷顿循环，以实现高效的热能 - 电能转换。然而，sCO₂ 在换热通道中倾向于发生传热恶化（HTD）。该现象直接决定了换热器的传热效率、结构紧凑性和运行安全性（Hu 等，2025, Xu 等，2019, Yu 等，2021）。因此，深入研究减轻 sCO₂ HTD 的方法是实现 sCO₂ 布雷顿循环应用的关键。

近年来，针对超临界 CO₂ 的浮力参数化和修正湍流模型进行了大量研究。Draskic 等（2025）通过阴影摄影法研究了水平通道中超临界 CO₂ 的密度分层稳定性，阐明了热分层如何介导传热恶化。Cheng 和 Xu（2024）推导了水平管中平均弗劳德数和格拉晓夫数的表达式，量化了周向温度不均匀性与浮力强度之间的相关性，并提出了传热恶化的浮力准则。Yu 等（2026）扩展了 sCO₂ 湍流模型在远离伪临界点的高温高压条件下的适用性。

为了解决 sCO₂ 在水平管中的 HTD 问题，研究人员提出了许多方法（Wang 等，2025, Ghodrati 和 Khoshvaght-Aliabadi, 2024, Eze 等，2021）。在水平管内添加肋片是减轻 HTD 的一种有效方法。Yuan 等（2020）研究了具有离散双斜肋的管道中 sCO₂ 的传热强化，并分析了肋高、节距和倾角对浮力减轻效果的影响。Wu 等（2024）考察了六股螺旋波纹管内 sCO₂ 的传热和流动阻力，发现旋流破坏了热分层，但比局部肋配置引起更大的阻力增加。Mao 等（2022）在水平管中安装了三角形、圆形和矩形肋片，发现三角肋管在降低壁温（T_w）和增加传热系数（HTC）方面效果最显著。Zhao 和 Wang（2023）发现，矩形和三角形肋管的 HTC 随肋高变化表现出不同的趋势。最近，我们通过结合三角肋和棱柱肋提出了一种新型三角棱柱肋，在垂直管中实现了增强传热同时抑制摩擦阻力增加。尽管如此，这种新型肋片在水平管中的传热改进效果仍未知。

对于合理的肋片布置，增强 HTC 但降低流动阻力是必要的。考虑到水平管周向传热不均匀的特性，可能首先选择肋片的局部分布。Wang 等（2022）通过数值模拟设计局部壁面粗糙度，有效减少了浮力引起的 HTD。Zhang 等（2020）研究了具有局部肋片的圆形管，发现 HTC 增加了高达 25.64%，而摩擦因子（?）仅增加了 11.81%。Khoshvaght-Aliabadi 等，2024, Khoshvaght-Aliabadi 等，2024 在热端和冷端添加全长或中断肋片，以增强太阳能发电厂 sCO₂ 循环中回热器和预冷器的传热。先前的研究表明，局部肋片的布置对 sCO₂ 传热有显著影响。不幸的是，关于水平管中 sCO₂ 传热增强（HTE）肋片局部分布的研究有限。

场协同理论是研究流体传热的重要方法（Gao 等，2026）。Liu 等（2022）利用场协同原理确定了在非均匀热通量下需要结构优化的位置。Yang 等（2026）将场协同原理应用于改进塔式太阳能熔盐接收器的结构以增强传热。

因此，本文利用场协同理论，提出了一种在水平管上添加新型三角棱柱肋的方法。研究了新型肋片分布对减轻 sCO₂ HTD 的影响。使用 HTC、? 和 PEC 分析了传热增强（HTE）的程度和效果。最后，分析了水平管中的 HTE 机制并提供了一个传热关联式。

章节摘要

物理模型

如图 1 所示，管道内径（d_in）= 8 mm，外径（d_out）= 10 mm，长度（L）= 1000 mm。为了使流动充分发展并避免流动回流，在管道进出口分别设置了长度为 350 mm 和 150 mm 的绝热段。如图 2 所示，管内的肋片为三角棱柱形，其中一条边面向来流方向。肋片的几何尺寸如下：肋高（w）为 0.8 mm，肋宽（e）为 0.8 mm，肋长（r）为 0.5 mm，

周向间距对传热的影响

图 9 显示，管道顶部近壁面区域具有最大的协同角度（接近 90°），这是传热协同最弱的区域，也是热分层引起传热恶化的核心区域。为减轻管道顶部的传热恶化，有必要在顶部周向区域引入局部肋片以强化传热。

图 10 显示了相同周向间距下不同 θ 角度时的顶部壁温（T_w）和传热系数（HTC）

结论

基于提出的三角棱柱肋，本文研究了其局部分布范围对水平管中传热增强的影响。利用壁温、传热系数、协同角度和 PEC 分析了传热增强（HTE）机制。得出的主要结论如下：

• 1.
  与传统肋片布置方法相比，新的肋片布置降低了壁温和摩擦阻力，最小化了管道内部的不可逆传热损失。
• 2.
  对于一个

CRediT 作者贡献声明

Wenhe Li：撰写 – 初稿，软件，数据管理。 Chengcai Wang：方法学，概念化。 Yanchao Jin：调查研究。 Yan He：监督，资金获取。 Gongpeng Wu：撰写 – 审阅与编辑。

利益冲突声明

作者声明，他们没有任何已知的竞争财务利益或个人关系可能会影响本文报告的工作。

致谢

本工作得到了 山东省自然科学基金（编号：ZR2025QC83）和 山东省泰山学者工程（编号：tstp20250505）的支持。

Wenhe Li|Chengcai Wang|Yanchao Jin|Yan He|Gongpeng Wu