综述：被动强化传热技术在超临界热系统中的应用

《RENEWABLE & SUSTAINABLE ENERGY REVIEWS》：A review on passive heat transfer enhancement techniques applied to supercritical thermal systems

　　

超临界换热器（supercritical heat exchangers）在先进热管理与能量转换系统中扮演关键角色，其性能对提升整体系统效率至关重要。相较于主动技术，被动强化传热（passive heat transfer enhancement，HTE）方法仅依赖几何与流体改性，无需额外能量输入，具有更高的系统可靠性和更广的工程适用性。然而，现有研究高度碎片化，缺乏对强化机制与设计意义的系统性审视。本文系统综述了超临界流体（supercritical fluids，SCFs）被动HTE策略的最新进展，包括通道构型（channel configuration）、内部扰动结构（internal disturbance structures）、表面改性（surface modification）及工质调控（working-fluid tailoring）。研究人员分析了其中涉及的底层机制，并讨论了其对传热、流动阻力及综合性能的影响。分析表明，多数被动强化策略的有效性最终取决于其在近壁区强化动量与能量输运的能力。诸如变径管等简单几何尽管结构简单，但提供的改善有限；而更复杂的构型通常能实现更强的强化效果，但伴随着更大的压降代价，需仔细评估整体热-水力性能。相比之下，采用纳米流体或超临界混合物的流体基方法通过调控热物理性质，其性能强烈依赖于纳米颗粒类型、颗粒浓度、分散稳定性及混合物组成。这些发现为下一代高性能超临界换热器的开发提供了理论见解和设计指导。

**1. 引言**
超临界流体（supercritical fluids, SCFs）在温度与压力高于临界点（T_c, P_c）时，液-气相界面消失，呈现兼具液体与气体特性的单相均匀态。其独特的物性（如高比热、低粘度、强扩散性）使其在大型能源系统及微/介尺度冷却中具有广阔应用前景。然而，SCFs的流动与传热行为更为复杂：在拟临界温度附近，密度、粘度、比热及导热系数呈现剧烈非线性变化，径向密度变化诱发浮力效应并改变平均速度分布与湍流结构，而热加速效应则显著影响近壁输运与边界层发展，从而产生正常传热、传热强化（heat transfer enhancement, HTE）或传热恶化（heat transfer deterioration, HTD）等多种传热状态。HTD表现为壁温骤升与时间振荡，严重影响系统安全与效率。为应对这些挑战，一系列被动强化传热（passive HTE）策略被开发，包括通道构型、内部扰动结构、表面改性及工质调控。现有综述多集中于印刷电路换热器（printed circuit heat exchanger, PCHE）等特定主题，缺乏对各类被动方法的系统性整合与多尺度归纳。本文旨在填补这一空白，系统审视SCFs被动HTE的最新进展，分析强化机制并比较热-水力性能。

**2. 通道构型**
通道构型通过改变宏观流动路径重塑内部流场，影响浮力、二次流、热加速及边界层演化。

**2.1 收敛与扩张通道**
渐变直径通道引入轴向加速或减速，改变惯性力与浮力平衡。在冷却条件下，收敛管可提升协同角并增大传热系数（heat transfer coefficient, HTC）达13.15%，而扩张管则削弱协同效果。在加热条件下，水平扩张管改善整体传热，收敛管则劣化；垂直管中趋势相反。锥角是关键参数：收敛角增大可缓解HTD，最高提升HTC达84.77%，但压降增大；扩张角增大可降低压降最多94.68%，但传热改善有限。收敛通道通过加速抵消近壁浮力诱导的层流化，恢复湍流动能；扩张通道则相反。现有研究受限于几何与工况范围，需进一步探索轴向加速/减速与浮力的复杂耦合。

**2.2 螺旋与扭转变形通道**
**螺旋通道**：弯曲诱导离心力生成迪恩涡（Dean vortices），促进高动量流体向壁面运输并驱赶加热近壁SCFs返回核心，实现动量与能量径向再分配。关键几何参数包括螺距（p_coil）、内径（d_i）、线圈直径（D_c）及曲率比（d_i/D_c）。减小d_i或D_c均强化迪恩涡，提升努塞尔数（Nusselt number, Nu）及HTC，同时减轻周向热不均匀性。螺距增大则削弱离心二次流，降低传热效果。衍生构型如平面螺旋线圈和锥形螺旋管进一步提高了紧凑性与热均匀性。
**扭转变形通道**：通过轴向周期扭转变形生成流向涡并不断再生剪切层，增强径向动量交换并抑制周向温度不均匀。截面形状影响显著：梯形扭曲管提供最高HTC及性能评价准则（performance evaluation criterion, PEC）达1.66；椭圆扭曲管在高质量通量下潜力突出。几何参数如螺距（p_twisted）、偏心距影响湍流强度；减小螺距提升PEC但增量递减，非均匀扭转变形可额外提高11%~48%传热。扭曲管在类气体区表现最佳，旋转方向改变可增强传热，但液压惩罚随扭转频率与形状尖锐度快速上升。

**2.3 印刷电路换热器通道**
PCHE通道分为连续型与间断型。连续型包括直线、锯齿、波纹等构型：锯齿通道通过弯折扰动获得高热性能，但压降大；波纹通道增大振幅/波长比（A/λ）可提高平均Nu达30%，但A/λ>0.2后PEC下降。间断型如S形翅片通道压降低至锯齿通道的17%~20%，空气动力形翅片（如NACA 0020）压降仅为锯齿通道的5%且传热相当。截面形状方面，半圆形截面在直线通道中热效率较高，但矩形截面综合热-水力性能更优。通道构型的优化从连续结构向分布式间断结构演变，力求平衡高Nu与低压降。

**2.4 分形与仿生通道**
基于自然输运网络的仿生结构（如树形分支、叶脉、肺状、蛛网、蜂窝晶格等）通过拓扑优化改善流动分布与热均匀性。例如，仿生蜂窝分形换热器HTC比PCHE高144.6%，综合性能高20.4%。尽管在亚临界流体中已验证有效，在SCFs中的应用仍然稀少。仿生结构面临制造困难、成本高及潜在额外压降等限制，需谨慎设计优化。

**2.5 基于三周期极小曲面（TPMS）的通道**
TPMS结构（如Gyroid、Schwarz D、Diamond、IWP等）具有高表面积-体积比、互连流道及低流动阻力。Gyroid与Schwarz D通道在超临界条件下PEC比PCHE通道高20%~80%。片状网络设计冷却更强但压降更高。几何参数如壁厚、单元周期增大可提升HTC达29%，但压降可增加近9倍。高导热系数材料（如铝合金λ_s=107 W/(m·K)）有利于性能。TPMS通道制造挑战大，实验验证不足，需进一步发展混合拓扑与渐变周期性。

**3. 内部扰动结构**
内部扰动结构在较小尺度上通过局部扰动破坏边界层、促进湍流生成并强化近壁混合。

**3.1 空腔/凹坑**
空腔结构诱导流动分离、回流及下游再附着，增强径向混合并减薄热边界层。矩形空腔可使PCHE中Nu提升24.6%，三角空腔微通道性能最优，PEC较光滑微通道提高195.2%。凹坑形成反向旋转涡对，以低压降代价强化近壁对流输运：球面凹坑使传热率提高1.64倍而压降仅1.33倍；泪滴形凹坑生成定向拉伸涡，PEC达1.17。性能高度依赖于结构特征尺寸与演变热-黏性子层的相对尺度。

**3.2 肋**
肋条通过周期性扰动热边界层生长并强化二次流。基本横向肋生成横向涡，倾斜肋与V形肋诱导纵向涡，有效抑制HTD并均匀化温度场。结构影响：X形矩形肋（攻角30°）使Nu提升60.52%，壁温降低24%。排列方式：螺旋状排列重构二次流拓扑，增强周向混合并延迟HTD；交错侧隙微肋比顺排肋提高约18%的Nu。间距优化：最佳加热长度与肋间距比L_heated/p_rib=100时PEC提升212.9%；间距过小或过大均接近直通道。形状与尺寸：三角肋传热增强达66.4%，圆形肋PEC最高（1.17）；增大肋高强化湍流但增加压损，需确定最优高度。

**3.3 翅片**
翅片在超临界条件下主要通过流动重组而非面积增加实现强化。S形翅片压降低于锯齿翅片；空气动力形翅片压降仅为锯齿通道的1/20且传热相当。交错布局比平行布局产生更短的振荡周期与更小的波动。间断翅片PEC比连续锯齿通道高8%~15%。翅片厚度与导热影响显著：过厚或低导热衷结导致压降增加而无成比例传热增益。最优设计需匹配翅片几何与拟临界区域演变，避免过度致密化。

**3.4 插入件**
**扭带**：诱导流向涡，抑制周向热不均匀性（最高降至95.7%），PEC提升至2.25。不同构型中，十字形扭带HTC增加37.56%，水平双扭带PEC达1.47。变螺距与锥形管插入件可进一步提升HTC。扭距比（twist ratio, TR）与宽度比（width ratio, WR）是关键：较小TR增强混合但压损大，最优TR取决于浮力条件；较宽扭带更有效破坏热边界层但增加熵产。自适应设计如变螺距与分段扭带更符合局部物性梯度。
**涡发生器**：分为近壁型与体积网格型。近壁纵向涡发生器（longitudinal vortex generators, LVGs）生成反向旋转涡对，持续破坏边界层，使峰值壁温降低50~57 K，局部HTC提升140%。体积晶格结构（如体心立方、四面体、Kagome晶格）在整个截面产生更强扰动，使Nu_ave提升170.3%。几何参数如单元高度、阻塞比（8%~52%）强烈影响性能；阵列密度与轴向位置决定HTD抑制效果。未来研究应注重设计简洁性与制造可行性。

**4. 表面改性**
**4.1 粗糙度**
液压粗糙度在微纳尺度上促进湍流再生与涡旋运动，缓解HTD并改善周向温度均匀性。增大粗糙高度可显著降低壁温峰值（从106.9°C降至73.7°C）并缩短恶化段长度。但强化存在阈值与饱和特性，且摩擦阻力增加。空间分布优化：仅在恶化易发区局部施加油砂粗糙度，可在相近强化效果下显著降低压降。最优粗糙比例与浮力诱导的高温区位置相关。制造方法包括传统加工、电火花加工、磨粒流加工等，但粗糙形态控制仍较粗糙。

**4.2 润湿性**
在超临界条件下，润湿性主要通过分子尺度壁-流耦合影响界面输运。更强润湿性使近壁流体层更致密，降低界面热阻（从5.22×10^-8降至3.01×10^-10 K·m²/W），减小温度跳跃并提升能量交换效率。但润湿性增大会提高界面摩擦，存在最优比（约2.5）以平衡传热与流动阻力。当前研究以分子动力学（molecular dynamics, MD）模拟为主，实际表面功能化处理（如羟基化、硅烷化）仍面临制造复杂度与耐久性挑战。

**5. 工质调控**
**5.1 纳米流体**
纳米颗粒通过增强有效导热系数与比热、平滑密度梯度及布朗运动/热泳迁移促进微尺度对流混合。不同颗粒效果：Al₂O₃与TiO₂优于CNT；Cu/n-decane在5%体积浓度下HTC提高28%~34%；ZnO添加0.2%使平均Nu提升20%以上。浓度增加通常改善传热但存在饱和：过高浓度导致颗粒团聚、粘度上升及沉积，反而恶化传热。氧化基纳米颗粒（如Al₂O₃）通常表现优异，混合纳米流体研究仍空白。

**5.2 二元混合物**
引入次级组分可偏移并拓宽拟临界区，缓解HTD。丙烷添加至sCO₂使壁温降低45.5 K；二甲醚（DME）使HTD起始延迟，峰值HTC提高9.3%~12.7%；CO₂/H₂S混合物传热最佳。但杂质并非始终有益：CO₂/N₂、CO₂/CH₄及CO₂/Ar混合物在3%杂质时平均HTC下降651、409及306 W·m^-2·K^-1；CO₂/油混合物油浓度4%时HTC下降20.4%，压降增4.8倍。热-水力性能强烈依赖于组分类型、配比及运行条件，需耦合优化。

**6. 总结与未来展望**
关键设计参数与工程应用总结于表6（原文表格，此处略）。未来研究方向包括：1）发展机理驱动的通道设计与优化，尤其是仿生与TPMS构型；2）创新内部强化结构，如壁面突出物与多孔介质；3）精细粗糙度形态与功能涂层润湿性控制；4）系统理解纳米流体与混合物的耦合输运机理；5）探索几何与流体基强化的多机制协同；6）引入数据驱动与智能优化方法；7）结合增材制造与拓扑优化突破工程可行性限制。

**7. 结论**
本文系统综述了超临界流体被动强化传热技术的四类策略：通道构型通过宏观流动路径影响浮力与二次流；内部扰动结构增强湍流生成与边界层破坏；表面改性在微纳尺度调控近壁输运；工质调控通过改变热物性影响传热行为。并非所有策略均表现一致：变径管增强有限且不一致；纳米流体效果分散；二元混合物效应非单调。实际应用中需权衡传热增益与压降代价，并考虑制造可行性与工况适应性。