《Next Energy》：Effects of baffle configurations on heat transfer characteristics of nanofluids in a shell-and-tube heat exchanger: A numerical approach
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在本次研究中，研究人员考虑了四种换热器构型，包括壳侧圆形和六边形管束排列，并采用弓形折流板（segmental baffles）和交错折流板（staggered baffles），以评估壳侧传热性能。研究人员使用基于稳态压力基的ANSYS Fluent 202
在本次研究中，研究人员考虑了四种换热器构型，包括壳侧圆形和六边形管束排列，并采用弓形折流板（segmental baffles）和交错折流板（staggered baffles），以评估壳侧传热性能。研究人员使用基于稳态压力基的ANSYS Fluent 2020 R1实施RNG k-ε湍流模型（RNG k-ε turbulence model），开发了基于单相纳米流体（single-phase nanofluid approach）的三维计算流体动力学（CFD）模型。在讨论围绕折流管束的外部强制对流现象时，研究人员考虑了壳侧流动结构、纳米颗粒浓度和传热速率之间的关系。壳侧入口温度为333 K，管侧入口温度为300 K，并维持壳侧质量流量在0.5–2.5 kg/s范围内变化。研究人员研究了Al?O?、CuO、TiO?以及三杂化纳米流体（tri-hybrid nanofluids），体积分数为1–3%，因为布朗扩散（Brownian diffusion）和热泳迁移（thermophoretic migration）被认为可忽略。研究人员使用温度、压降（pressure drop）、摩擦因子（friction factor）、努塞尔数（Nusselt number, Nu）和流线云图（streamline contours）评估了热和流动特性。结果表明，与弓形折流板相比，交错折流板在混合壳侧流动方面更有效，而六边形管束排列在壁面扫掠和流动方面更有效。在六边形管束与交错折流板的组合中，出口温度、传热系数、努塞尔数和流场更加均匀。虽然摩擦因子几乎保持恒定，仅有微小下降（0.66–0.76），对应于1% CuO和3% Al?O?，表明所有纳米流体之间的水力变化较小，但努塞尔数从110–120增加到350–420（最大值420对应于1% Al?O?/杂化纳米流体），表明对流换热显著改善。
**论文解读文章**
**研究背景与问题**
壳管式换热器（shell-and-tube heat exchangers, STHEs）因其坚固结构、操作灵活性和高传热能力，广泛应用于热工业系统。近年来，STHE性能提升主要集中于两种途径：一是应用先进工作流体，包括纳米流体（nanofluids）；二是通过修改折流板配置、管束排列和管型来优化壳侧几何结构。纳米流体通过改善基液的热物理性质显著提升传热性能，但同时也影响压降特性。然而，先前的研究分别评估了工作流体和壳侧几何结构，但尚未研究非圆管、交替折流板和三杂化纳米流体在相同直径参数下的综合影响。因此，本研究旨在探讨管型、折流板布局和纳米流体类型对STHE性能的联合影响，以设计小型、高效的换热器，用于工业热系统。
**研究方法与关键技术**
研究人员采用数值模拟方法，使用ANSYS Fluent 2020 R1软件，基于稳态压力基求解器，实施三维计算流体动力学（CFD）模型，采用RNG k-ε湍流模型（RNG k-ε turbulence model）和标准壁面函数。研究中考虑了四种几何构型：圆形管与弓形折流板、圆形管与交错折流板、六边形管与弓形折流板、六边形管与交错折流板。壳侧质量流量范围为0.25–2.5 kg/s，壳侧入口温度300 K，管壁恒温450 K。纳米流体包括Al?O?、CuO、TiO?及Al?O?-CuO-TiO?三杂化纳米流体，体积分数为1–3%，基于单相纳米流体假设，忽略布朗扩散和热泳迁移。研究通过网格独立性测试和与文献验证（Heydari et al. [38]）确保模型可靠性，出口温度误差平均0.095%，压降误差约0.9%。
**研究结果**
**3.1 几何结构选择与折流板配置**
通过对比四种构型的热性能和液压性能随质量流量的变化，发现：随着质量流量增加（0.25–2.5 kg/s），壳侧出口温度从约365 K下降至328–331 K，其中圆形管与交错折流板组合获得最低温度；传热系数几乎线性增加（1400–7800 W/m2K），以圆形管与交错折流板最高，六边形管与弓形折流板最低；努塞尔数（Nusselt number）从85增加至445，表明对流换热增强。
**3.2 纳米流体体积分数对传热特性的影响**
对不同纳米流体（Al?O?、CuO、TiO?和三杂化）在1–3%体积分数下的壳侧出口温度、压降、传热系数、努塞尔数和摩擦因子进行分析。结果表明：出口温度随质量流量增加而下降，3% Al?O?获得最低出口温度（329 K）；压降随质量和浓度增加而上升，3% Al?O?压降最大（37 kPa），CuO最低（32 kPa for 1%）；传热系数在2.5 kg/s时达到6000–6900 W/m2K，三杂化纳米流体表现最佳（6900 W/m2K）；努塞尔数从110–120增加至350–420，1% Al?O?/杂化纳米流体达到最大值420；摩擦因子几乎恒定（0.66–0.76），Al?O?最高（0.76 for 1%），CuO最低（0.66–0.67 for 3%）。
**3.3 四种模型的云图分析**
温度云图显示，六边形管与交错折流板组合呈现最冷且最均匀的温度场，具有冲击和薄热边界层；压力云图表明该组合压降最低，分布均匀；速度云图显示该组合具有最高且最均匀的流速，混合最强；速度流线云图显示该组合流线连续穿过管束，再循环最小，流动更新最大。
**3.4 与已发表文献的对比**
与Ozden和Tari [21]、Heydari et al. [38]等文献比较，六边形管与交错折流板组合在壳侧出口温度方面表现更优，压降更低，传热系数与文献趋势一致并具有竞争力，验证了该构型的有效性。
**讨论与结论**
结论部分总结：增加质量流量（0.5→2.5 kg/s）提高传热系数和速率，降低出口温度，但急剧增加压降；三杂化纳米流体（Al?O?-CuO-TiO?）热性能最高，TiO?单氧化物纳米流体最弱；交错折流板通过增强二次流和流动重定向，改善流体混合并不断更新热边界层，优于弓形折流板；六边形管与交错折流板组合提供最佳整体性能，混合更强，死区更少，冷却更均匀；努塞尔数从110–120升至350–420，摩擦因子几乎恒定（0.66–0.76），表明对流换热显著改善而水力损失较小；压力云图显示六边形交错几何结构压力分布更均匀，减少停滞区。未来研究应集中于优化管型、折流板类型、间距和切割，以及管间距、长度、纳米颗粒类型/尺寸/形状和先进纳米流体组合的系统级优化。
