综述：太阳能空气加热器中的折流结构与热流体性能

《Solar Energy》：Baffle topologies and thermo-hydraulic performance in solar air heaters

　　摘要：在太阳能空气加热器中，挡板被广泛用于提升空气侧的热传递系数，其效果受几何结构、压力降、制造难度以及应用需求的影响。本综述基于拓扑结构对各类挡板式太阳能空气加热器设计进行了总结，将其分为五类：平面/穿孔型、涡流诱导型、曲线/旋流型、复合/集成型以及仿生结构。本综述的创新之处在于将挡板拓扑结构与流动控制机制相联系，通过已报道的Nu/Nus、f/fs和TPF数值对比不同拓扑结构，并利用简化的制造复杂度指数来评估工程可行性。仿生挡板作为一种具有低阻力和可持续设计特性的新方向展现出巨大潜力。自2018年以来，各类挡板式太阳能空气加热器的相关研究数量分别增至29篇、34篇、32篇、36篇和14篇。所报道的最高TPF值分别为3.60、4.06、3.72、3.06，而制造复杂度指数则从平面结构的5升高到仿生结构的12。尽管较少被报道，但其他性能指标还包括热效率高达96.6%、有效效率高达91.8%、熵产生降低幅度达57.05%，以及二氧化碳减排量提高178.2吨。由于不同研究在雷诺数范围、基准条件、边界条件以及数值评估方法上存在差异，这些结果可视为不同研究得出的性能范围。未来的研究应注重标准化测试、仿生结构及增材制造结构的实验验证、基于人工智能的拓扑优化，以及与热储存系统和混合太阳能系统的整合。

引言：为应对全球能源危机和环境破坏问题，人们加快了向可再生能源转型的步伐。在这一背景下，太阳能作为一种丰富且清洁的替代能源备受重视。太阳能空气加热器是太阳能热应用中的基本设备，被广泛应用于农业干燥、建筑供暖、通风与空调系统、工业过程加热以及海水淡化等领域。Thao等人[1]证明了太阳能空气加热器在农业脱水方面的有效性，Bayrak等人[2]则证实了其在被动式建筑供暖中的节能作用。近期，Jamal等人[3]和Sachdev与Thakur[4]分别报告了基于太阳能空气加热器的结构在工业流程系统及淡水生产技术中的更多应用场景。尽管太阳能空气加热器结构简单且运行可靠，但其热性能存在固有限制，这主要是由于空气的热物理特性所致。空气较低的导热系数和比热容限制了从吸热板到工作流体的对流热传递。这些特性会导致在吸热板附近形成稳定的层流亚层，从而成为热量传递到工作流体过程中的主要热阻障碍。为克服这一障碍，引入人工粗糙结构被视为一种有效的被动强化技术。为提升太阳能空气加热器的热传递性能，人们采用了多种吸热面改性措施，包括凹槽、肋条、翅片、小翼以及挡板。在雷诺数为17000时，矩形凹槽结构的最大热增强因子为1.455，相应的能量利用率则为0.9949，这说明在考虑热增强效果的同时也需关注有用能量输出[5]。为减少矩形凹槽中的滞流区域，人们还设计了倒角凹槽；与光滑管道相比，这种凹槽可使热传递效率、摩擦系数以及热增强因子分别提高1.74倍、1.81倍和1.43倍，同时优化后的粗糙结构还能将总熵产生降低63.10%[6]。同样，偏置横向肋条的研究表明，阻碍型元素的相对位置会对热工水力平衡产生显著影响。肋条与吸热板之间的微小间隙可使Nu/Nus值提高至1.52，而过高的肋条高度则会带来较大的压力降损失；在雷诺数为13000时，最高的TPF值为1.042[7]。混合式带状涡流发生器也存在类似的权衡关系：在雷诺数介于10794至73644之间时，Nu值可提高89%，但摩擦系数也会随之增加35%[8]。此外，一种结合了平翅片和之字形翅片太阳能集热器的温度可控流化床太阳能干燥机，其整体系统效率可达64%，而平翅片集热器和之字形翅片集热器的最高能量利用率分别为7.2%和11.6%[9]。基于这些研究可以得出结论，评价太阳能空气加热器强化结构不能仅依据热传递性能的改善情况。因此，本综述重点探讨挡板式太阳能空气加热器，通过Nu/Nus、f/fs、TPF、能量利用率以及熵产生等标准化指标，分析其拓扑结构、流动控制机制、热工水力性能以及第二定律相关特性。挡板的功能在于促进流体分离与再附着，同时生成高强度的二次流，从而提升近壁区域的混合效果并减小热边界层的厚度。为了最大化热传递与摩擦之间的比率，挡板结构的设计理念不断追求更高的几何复杂性。其发展路径从早期的平面型障碍物（如穿孔挡板[10]）逐步发展到更为复杂的几何结构以实现更好的流动控制。这类发展包括用于增强混合效果的涡流诱导结构（如半椭圆形翼形挡板[11]）、用于降低阻力的流线型旋流装置（如螺旋形挡板[12]）、整合多种功能的复合结构（如多级挡板[13]），以及受自然流体动力学启发的仿生几何结构（如仿生翼型挡板[14]）。近年来，关于太阳能空气系统的研究已超越传统的热工水力强化手段，开始涉及热储存、数据驱动建模、经济分析以及环境影响等方面。Barghi Jahromi等人[15]、[16]将相变材料引入太阳能通风系统中，通过先进的机器学习方法和生命周期评估，证明了该方案不仅预测精度高，而且环境影响较小。他们的研究显示，引入相变材料会使单位空气处理成本上升27.3%，但能将出口最高温度提升至82.6℃，同时使二氧化碳减排量从80.22吨增加到178.2吨。在干燥应用方面，Ahmadi等人[17]将相变材料与空气循环相结合，通过高精度的数值模拟，实现了43.42%的干燥效率提升。因此，现代太阳能空气加热器的性能评估应采取整体视角，综合考虑热传递、能量储存、成本、预测可靠性以及环境效益等因素。图1展示了本综述所涵盖的经过WoS索引的研究论文的年度分布和累计分布情况。2013年至2017年间，相关研究论文数量较少，每年通常不足六篇。2018年后研究数量开始明显增加，从2018年的7篇上升至2022年的19篇。虽然2023年出现短暂下降，但2024年和2025年的研究发表量达到峰值，分别为29篇和27篇。累计分布曲线也显示，2019年后增长速度进一步加快，这说明挡板式及相关太阳能空气加热器强化结构已成为日益活跃的研究领域。表1显示，挡板拓扑结构的多样化是一个渐进的过程。在初始阶段，共发现了27项研究，其中主要以复合/集成结构（9项）、涡流诱导结构（8项）和平面结构（6项）为主，尚未出现仿生结构。这表明早期的研究主要集中在流动阻塞、分离与再附着现象、基础涡流生成以及初步的结构耦合方面。在成熟与优化阶段，研究数量增至66项，不同拓扑结构类型的分布更为均衡。曲线/旋流结构所占比例相对较高，为17项，其次是平面/穿孔结构（16项）、涡流诱导结构（14项）以及复合/集成系统（14项）。这反映出在这一阶段，人们越来越重视流动引导、旋流混合以及热工水力优化。在前沿与发展阶段，仅在两年时间内就发现了52项研究，五种拓扑结构类型都有涉及。复合/集成系统（13项）、涡流诱导结构（12项）、曲线/旋流结构（11项）以及仿生结构（9项）的数量较为接近，说明其发展更加均衡多元。与前期相比，仿生结构在相关研究中出现的频率明显上升，这表明仿生低阻力设计有望成为挡板式太阳能空气加热器研究领域的新兴方向。目前已有不少综述从不同角度总结了太阳能空气加热器及太阳能空气集热器的相关研究。Vengadesan和Senthil[18]总结了平板式太阳能空气集热器的热性能提升方法，包括吸热面改性、多孔介质、挡板、热能储存以及光伏/热电联产系统等。Ghritlahre等人[19]从能量和能量利用率的角度分析了不同类型的太阳能空气加热器，而Lingayat等人[20]则总结了太阳能空气集热系统的一些性能提升方法，如肋条、凹槽、湍流发生器、翅片以及挡板等。Hassan等人[21]侧重于通过能量和能量利用率分析来探讨热工水力性能的提升潜力，Pramod等人[22]则研究了基于元启发式算法的湍流促进技术及热工水力性能优化方法。这些综述为太阳能空气加热器/集热器的性能提升方法提供了有益的总结，但大多涉及多种强化结构，而非专门聚焦于基于挡板的设计。在现有的综述中，Jia等人[23]撰写了一篇主题更为相关的综述，题为“提升热性能：带挡板的太阳能空气加热器的发展历程与未来前景”。然而，这些综述并未在统一的框架下充分探讨挡板结构的拓扑演变、相应的流动控制机制以及不同发展阶段的特点。为弥补这一不足，本综述专门聚焦于太阳能空气加热器中的挡板拓扑结构，将其分为五类：平面/穿孔型、涡流诱导型、曲线/旋流型、复合/集成型以及仿生结构。本综述的创新之处主要有三点：其一，将挡板拓扑结构与流动控制机制相关联；其二，通过已报道的Nu/Nus、f/fs和TPF数值范围，对不同拓扑结构进行对比分析；其三，利用简化的制造复杂度指数来评估相关结构的工程可行性。尤其值得一提的是，本综述认为仿生挡板有望成为实现低阻力且具有可持续性的太阳能空气加热器设计的新兴方向。

章节节选：

拓扑结构分类与演变：为了解决空气侧热效率较低的问题，挡板拓扑结构从单纯的被动阻塞形式逐渐发展为主动的流动调控形式（见图2）。这一演变过程始于平面结构，随后发展为低阻力的穿孔结构[10]，以此消除回流滞流区，接着又出现了通过纵向涡流来增强混合效果的涡流诱导几何结构（如V形结构[11]）。为兼顾气动效率，设计理念随后转向……

多准则性能评估框架：要准确评估挡板结构的效果，需要建立一个多参数评估框架，以便在热收益与水力损耗之间取得平衡。本综述将这些评估标准归纳为四个层次。

挡板拓扑结构与热工水力机制：为阐明太阳能空气加热器中的流动与热传递机制，本章系统分析了挡板结构的几何拓扑演变过程。针对“在最小化水力阻力的同时最大化热收益”这一核心挑战，我们探讨了不同拓扑结构如何通过不同的流动控制机制和设计策略来应对这一矛盾。本章中所列参数均来自原始研究文献。

已报道的热工水力性能：代表性研究的最高TPF值如图29所示。从分布情况可以看出，较高的TPF值并非只出现在某一种结构类型中。涡流诱导结构和曲线/旋流结构对应的TPF值通常较高，这体现了纵向涡流生成、旋流混合以及流动重新分配等技术的有效性。而平面结构则呈现出更宽的TPF值范围，其性能表现……

结论：本综述以系统的方式研究了太阳能空气加热器中挡板结构基于拓扑结构的熱工水力性能。本工作的核心贡献在于，它并非将挡板视为独立的强化装置，而是建立了挡板几何结构变化、流动控制机制、标准化性能指标以及工程可行性之间的关联。与其他关于太阳能空气加热器的综合性综述不同，本综述具有更明确的针对性。

CRediT作者贡献说明：苏苏·齐：原文撰写、研究实施；李刚跃：方法设计、可视化处理；M.S.阿卜杜拉：文稿审阅与编辑、概念构思；A.H.伊德里斯：资源协调、文稿审阅与编辑；A.A.拉扎克：项目监督、资金获取、项目管理、概念构思。

资金支持：本研究未获得任何公共部门、商业机构或非营利组织提供的专项资助。

利益冲突声明：作者声明不存在任何可能影响本文研究结果的已知财务利益或个人关系。

苏苏·齐|李刚跃|M.S.阿卜杜拉|A.H.伊德里斯|A.A.拉扎克