传热表面结构设计：一种通道内强化传热的新策略

《International Communications in Heat and Mass Transfer》：Structure design of heat-transfer surface: a new strategy for heat-transfer enhancement inside channels

　　**摘要**本文提出并验证了一种通过设计通道内部换热表面的结构来实现强化传热的新技术，该技术受到纳米流体中纳米颗粒结构设计有效性的启发。条状翅片从散热器（换热表面）呈辐射状生长，并延伸进入制冷剂的深处，以强化通道内部的连接传热中的径向传热。内径为2毫米的微通道配备了特定的翅片结构，并在所有其他条件（概括为每单位制冷剂质量对应的相同比换热面积）相同的情况下，与典型微通道进行了整体传热性能的对比。结果表明，翅片式微通道的实际换热表面传热系数大于内径为250微米微通道的传热系数，同时总压降更小。在施加热边界条件于外圆表面且该表面同时传热的实际翅片通道中，在可比的压降下，传热系数高达60,000至70,000 W/(m2·K)。研究发现，对于更小尺寸的通道以及通道的充分发展段，换热表面的结构设计更为有效。此外，优化通道内部的翅片结构将有助于翅片通道获得更好的整体传热性能。**引言**不同旨在强化通道内传热的措施，在本质上可大致分为两类：1) 通过设计通道形状或调整通道几何参数来增加单位传热工质质量对应的比换热面积；2) 将层流传热转化为湍流传热。如Bejan所总结的，湍流包含不同尺度的涡，这些涡驱动散热器附近的低温流体直接进入高温区域，同时将高温流体输送到低温区域[1], [2]。这种传热方式基于流体流动，比层流中不同流体层之间的热传导更为高效。因此，这两种措施在本质上是相同的：为了强化传热，必须尽可能高效地将散热器的低温扩散到整个换热区域。最近提出的强化策略，如喷淋冷却[3], [4], [5], [6]、射流冲击[7], [8], [9], [10]等，也遵循这一机制。提高传热工质的传热能力有助于散热器的低温扩散，从而也有力地促进了通道内的强化传热。纳米流体作为这一策略的典型案例，受到了大量关注。为了优化纳米流体以获得更好的传热性能，除了纳米颗粒尺寸、体积分数等因素外，还应努力设计纳米颗粒的构型[11], [12]。正如我们之前的工作所证实的，适用于热传导系统的优化纳米颗粒构型是由离散的纳米颗粒组成的连续条带，试图将散热器的低温直接分配到系统中每一个产生热量的点[13]。图1展示了一种典型的圆形热传导系统的优化纳米颗粒构型。优化后的纳米颗粒条带宽度与纳米颗粒量级相当，即使考虑了尺寸效应，这也进一步强调了均匀分配散热器低温的重要性。对于通道内的传热，径向或截面传热类似于我们工作所优化的热传导系统。因此，为了强化此类通道内的传热，采用更高导热率的条状路径（或翅片）预计将相当高效。重要的是，条状翅片显然不会显著干扰液体流动，因此与其他传热强化措施（如流动扰动和二次流动诱导器）相比，预计其将带来小得多的压降代价。为验证这一假设，本文研究了具有可实际制造的模拟优化纳米颗粒构型的条状翅片的微通道的传热性能。通道内的传热过程本质上取决于换热表面（或热边界）的面积——该表面提供热能或冷能，以及试图通过热对流将能量带走的制冷剂的质量流量。对于给定的制冷剂量，更大的换热面积意味着制冷剂与散热器之间交换的能量更多，从而实现了更好的传热性能。微通道由于其相比常规尺寸通道高出一个数量级的传热系数而受到广泛关注，这在很大程度上归因于单位制冷剂量对应的比换热面积的增大。这种基于换热面积增大的传热强化不应被视为对传热的"真正"强化，因为传热的基本定律始终表明，更多的换热面积意味着更多的热通量传输。其他研究也表明，在固定的换热面积下合理设计换热结构可以有效强化通道内的传热[14]。因此，本文将翅片式微通道的性能与在相同单位制冷剂质量比换热面积条件下的微通道性能进行比较。**章节摘要****2.1 在相同单位制冷剂质量比换热面积条件下，优化配置通道与微通道的传热性能对比**考虑一个水平放置的微通道，内径为2毫米，如图2(b)所示。假设24片均匀分布的条状翅片，长度为0.75毫米，宽度为0.025毫米，近似达到优化的纳米颗粒构型。选取内径分别为100微米、150微米、200微米、250微米和300微米的水平圆形微通道，与翅片式微通道进行比较。两种类型通道的通道长度均固定为25毫米。液态水作为制冷剂流经……**2.2 实际翅片通道的传热性能**本节使用与第2节相同的数学模型，不同之处在于在翅片通道的外圆表面上设置了散热器温度为293.15 K。还计算了另一种翅片通道的性能，其内径为20毫米，24片均匀分布的条状翅片长度为7.5毫米、宽度为0.25毫米，通道长度为250毫米。还计算了一个更大的宏观通道，其内径为200毫米，24片均匀分布的条状翅片长度为75毫米、宽度为2.5毫米，通道……**2.3 实际翅片通道整体传热性能的实验研究**利用商用3D打印技术制造了如图8所示的实际铝制翅片通道。翅片通道的几何参数如表2所示。翅片厚度保持在可制造的最小尺寸。由于数值结果表明之前章节中通道壁面的热通量非常大，因此使用内部装有小功率加热棒的铜制加热块为翅片通道内的制冷剂提供恒定热通量。图9展示了……**讨论**Lin等人的研究表明，通道壁面上的结构化表面粗糙度可显著增强液体对流传热，并且随着粗糙度元素高度相对于通道尺寸的增加，传热性能更佳。其他研究者也得出了相同的结论[16], [17], [18], [19], [20], [21]。这种粗糙度元素本质上类似于我们的条状翅片，因此可以增强传热性能。然而，正如Lin等人所报告的，……**结论**现有的传热强化措施可分为增加比换热面积和强制层流转变为湍流两类。受纳米流体结构设计的启发，我们分析了翅片结构对强化通道内径向传热的影响。在除比换热面积与制冷剂质量流量之比为固定值之外的所有传热条件下，对比了翅片通道与……的传热性能。**作者贡献声明****Chao Bai（白超）：** 方法论、调查研究、概念构思。**Hongzhen Cao（曹宏震）：** 调查研究、数据整理。**利益冲突声明**作者声明他们不存在任何已知的与本文所报告工作存在利益冲突的财务关系或个人关系。**致谢**感谢山东省自然科学基金（项目编号：ZR2023ME187）的财务支持。Chao Bai | Hongzhen Cao