带分流式冲击消声器单元的消音换热器热-流动-声学性能的数值研究

《Energy》：Numerical investigation of the thermo-flow-acoustic performance of a silencing heat exchanger with a split-stream rushing muffler unit

　　•提出了一种带有分流冲击式消声单元的消声换热器。
•开发了CFD与热电混合数值模型以及声学模型用于性能预测。
•阐明了关键结构参数对压降、输出功率和声衰减的影响。
•实现了最大输出功率563.83 W和平均传递损失37.39 dB。
引言
内燃机（ICEs）在交通运输和移动动力系统中继续发挥着核心作用。然而，其燃料能量转换效率相对较低，导致大量能量损失[1]。在汽车发动机中，燃料所含能量中只有约20%用于驱动车辆，而很大一部分通过废气和发动机冷却耗散，其中高温废气约占总能量输入的30%[2]，[3]。这表明发动机废气仍含有大量可回收的热能，因此为提高车辆能量利用效率提供了潜在途径。因此，发动机余热回收技术受到了广泛关注，主要方法包括有机朗肯循环（ORCs）[4]、涡轮增压器[5]、六冲程发动机循环[6]以及热电发电机（TEG）系统[7]，[8]。在这些技术中，TEG系统能够将余热直接转化为电能，并具有结构紧凑、无运动部件、响应迅速和高可靠性等优点。因此，它们被视为回收汽车尾气余热的潜在方法[9]。Agudelo等人[10]研究了柴油乘用车在新欧洲驾驶循环中回收排气热量的潜力，并分析了不同安装位置对油耗降低的影响。实验结果表明，当回收装置布置在柴油颗粒过滤器下游时，整个驾驶循环的节油潜力可达8%–19%。Quan等人[11]从车辆燃油经济性角度评估了汽车热电发电机（ATEG）系统，考虑了冷却泵功耗、系统重量和排气背压等寄生损失。研究表明，ATEG系统最大净输出功率约为50 W，车辆燃油经济性提高最多0.21%。
为了提高TEG系统的输出性能和能量转换效率（目前仍有限），现有研究主要集中在两个方面：热电材料和系统配置。近年来，用于余热发电的热电材料主要包括Bi2Te3基[12]、PbTe基[13]、SiGe基[14]、方钴矿[15]和半赫斯勒基材料[16]。其中，Bi2Te3基材料在低温和中温范围内表现出优异的热电综合性能和模块稳定性。此外，Bi2Te3基材料的商业化模块技术相对成熟。因此，它们已成为汽车发动机排气余热回收系统中最常用的热电材料之一，为后续系统结构设计和优化提供了可靠的材料基础[17]，[18]。在此基础上，优化结构仍然是提高TEG输出的关键策略。Luo等人[19]对ATEG系统排气通道换热器中的翅片进行了设计和优化，并比较了带翅片和不带翅片配置的输出性能。研究发现，优化后的带翅片ATEG系统输出功率比优化后的无翅片系统高约115.12%。Zhu等人[20]提出并优化了一种用于环形ATEG的扭曲带换热器。采用三维多物理场模型研究了扭曲带长度、半径和扭曲比对热电转换效率的影响。在优化条件下，所提出的扭曲带环形汽车热电发电机（TT-ATEG）的换热器转换效率比不带扭曲带插入件的配置高22.51%。Tian等人[21]对用于汽车排气余热回收的环形热电发电机进行了实验和数值分析，并评估了其在各种脉冲热输入条件下的热学和电学行为。可以发现，换热器中合适的内部流动布置以及优化的热输入条件可以显著提高系统输出功率并改善热电转换效率。因此，换热器有效的内部设计可以有效提高TEG系统的性能，并且仍然是ATEG系统结构设计中需要特别关注的关键问题。
在汽车应用中，TEG系统的性能不仅受系统固有热电特性的限制，还受车辆级约束的限制，包括系统重量、安装空间和排气背压。Massaguer等人[22]通过多物理场模拟评估了ATEG系统的燃油经济性。净节油量因系统重量、排气背压和冷却泵功耗而降低，表明ATEG系统的实际经济效益受到显著限制。Quan等人[23]评估了不同工况下ATEG系统与发动机之间的性能相互作用，其中考虑了换热器优化引起的寄生效应。尽管优化后的换热器结构提高了热电输出性能，但由此产生的排气背压增加降低了发动机制动功率、制动扭矩、容积效率和燃油经济性。考虑到上述车辆级约束和背压控制要求，汽车热电发电机（ATEGs）与排气部件（如催化转化器和消声器）的集成设计逐渐成为重要的发展方向，以避免ATEG独立安装带来的体积增大、布局灵活性受限和功能耦合不足。Wan等人[24]提出了一种热电发电机组件，其中热电模块（TEMs）与催化装置和排气消声器结合成统一的结构设计。数值模拟和台架试验表明，该集成结构同时具有热学和声学性能，在发动机功率设定为30.4 kW时，实现了515 W的输出功率和22.2 dB的平均传递损失。然而，相关的压降尚未评估。Shi等人[25]随后通过将阻抗复合消声器与热电换热器结合，提出了消声换热器（SHE）的概念，并将优化后的配置与先前的基线模型进行了比较。改进后的消声换热器表现出更均匀的热端温度分布、平均温度提高14.4%、排气压降降低8.4%、平均传递损失比基线结构提高44.4%。因此，热电消声集成设计不仅实现了排气余热回收与噪声控制的协同集成，还将TEG的传热功能纳入原始消声器结构中。这样，压降可以在消声器设计过程中加以考虑，避免独立TEG系统对车辆排气系统产生的额外背压效应，从而为ATEG系统的结构优化和车辆集成提供工程基础。
多孔介质，特别是金属泡沫，因其兼具强化传热和声耗散能力，在热电消声集成结构中显示出广阔的应用潜力。在热电换热器中引入金属泡沫可以提高热端温度，有利于增强热电输出性能[26]。同时，多孔结构对声波传播表现出一定的耗散效应，因此在这类装置中也具有降噪潜力[27]。因此，多孔介质可以为热电消声换热器的热学和声学性能协同改善提供一种可行的结构途径。除了多孔衬层外，内部流道配置也显著影响热电消声换热器的整体性能。对于换热器，在流道中心区域放置内部插入件可以重新组织排气流动，增加靠近换热器壁面的流体速度，从而增强近壁对流换热，导致更高的热端温度。如文献[20]所报道，扭曲带插入件可以产生旋流并破坏边界层，使换热器平均表面温度从494.25 K提高到502.29 K，并将TEM平均热端温度从408 K提高到420 K。另一方面，在传统消声结构研究中，分流冲击式消声单元、穿孔管、隔板和膨胀腔等消声单元已被证实显著影响消声器的流阻和声衰减[28]，[29]。其中，分流冲击式消声单元通过分流和局部冲击重构内部流场。Zhang等人[29]比较了传统消声器与带有分流冲击式消声单元的消声器。后者改善了中频范围内的声衰减，同时将压降从1502 Pa降低到1150 Pa，对应降低23.4%。因此，分流冲击式消声单元在控制流阻和声学性能方面表现出明显优势，有望进一步扩展到热电消声换热器中。
如上所述，热电消声集成结构可以同时实现排气余热回收和噪声控制，而其综合性能在很大程度上取决于内部流道配置。分流冲击式消声单元具有改变气流路径、调节压降和衰减声波的潜力。与先前报道的通过阻抗复合消声器与热电换热器结合形成的SHE不同，本文提出的SHE将分流冲击式消声单元集成到热电换热器的中心区域。该单元不仅作为声衰减组件，还通过分流和局部冲击改变内部流动和传热过程。因此，所提出的配置不仅仅是简单地将消声器与热电换热器结合，而是使分流冲击式消声单元同时有助于声衰减和热电发电。为了揭示分流冲击式消声单元对SHE综合性能的影响，建立了CFD与热电混合数值模型以及声学模型。分析了SHE内部的速度场、压力场、温度场和声压级分布。此外，研究了腔体内切圆直径D、冲击孔直径d和分流冲击孔间距L对压降、输出功率和传递损失的影响。所提出的结构实现了排气余热回收与声衰减的协同集成，为汽车消声器与TEG集成提供了新的结构概念。
章节片段
SHE的几何结构
所提出的SHE由集成金属泡沫和分流冲击式消声单元的六边形换热器、20 × 6个热电模块（TEMs）和六个S形液冷散热器组成。SHE的三维示意图如图1所示。该设计主要针对汽车排气余热回收和声衰减，当位于催化转化器和尾管之间时，可以在功能上替代传统消声器。对于
控制方程
为了定量评估SHE的综合性能，本研究开发了高效数值模拟框架。该方法利用CFD在流场和热输运预测方面的高保真优势，提取TEM的平均壁温和压降。TEM的热端和冷端温度随后用作热电数值模型的主要输入，从而精确计算系统的输出
带分流冲击式消声单元的SHE模拟及与不带单元的SHE比较
在建立上述边界条件后，通过求解混合数值模型和声学模型获得物理场，包括速度、压力、温度和声压级。图8比较了在质量流量为40 g/s时，带和不带分流冲击式消声单元的六分之一SHE结构的速度和压力分布。
图8(a)和(b)分别显示了不带和带分流冲击式消声单元的速度分布。
结论
为了实现汽车消声器与TEG的功能集成，本研究提出了一种带有分流冲击式消声单元的SHE。该结构允许废气持续向TEMs供热以进行热电发电，同时通过结构内的反射、干涉和耗散衰减声能。为了揭示分流冲击配置对流动、热电和声学
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Peng Zhang：项目管理。Zhanming Chen：可视化、正式分析。丁洛：写作——审阅与编辑，监督，资金获取。鲍中强：可视化，资源。陈浩：写作——审阅与编辑，监督，项目管理。吴子豪：数据管理。刘文卓：写作——原始稿，方法学。杨睿：写作——原始稿，形式分析，概念化。利益冲突声明：我们声明，在提交的工作中，没有任何商业或关联利益构成利益冲突。致谢：本工作由西安市重点产业链技术集群研究计划（25ZDLJQ00001）和国家自然科学基金（52306017）资助。杨睿|刘文卓|吴子豪|鲍中强|丁洛|陈占明|张鹏|陈浩