通过超声与波纹结构之间的协同作用增强边界层中的热传递：一项数值研究

《International Communications in Heat and Mass Transfer》：Heat transfer enhancement in boundary layer via synergistic ultrasound and corrugated structures interaction: A numerical study

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摘要

超声波在液体介质中传播时会引起声空化现象，这会增强局部湍流，从而 intensify 对流换热。为了研究超声波与波纹结构之间的协同换热增强机制，本研究建立了一个基于声空化对声音衰减系数影响的数值模型，该模型描述了波纹板和平板之间的流动通道。系统地研究了波纹高度 H（0.5–2.0 毫米）、雷诺数 Re（60–600）以及声压幅度 P_max（122.2–244.3 千帕）对换热增强的影响。结果表明，空化效应会导致声压快速衰减，并产生强烈的涡流，破坏流动边界层，从而增强换热。同时，波纹结构对超声波扰动具有协同放大作用。当这两种因素共同作用时，局部换热系数可比无超声波时的情况下提高多达 4.04 倍。这种超声增强效应在低雷诺数时尤为明显。在 Re = 60 的条件下，性能评估指标 PEC 在不同波纹高度下的范围为 1.417 到 1.544，远高于高雷诺数条件下的值。对于波纹高度 H = 2.0 毫米的情况，将声压幅度从 122.2 千帕增加到 244.3 千帕，PEC 的提高幅度在不同雷诺数下介于 0.327% 到 40.7% 之间。因此，在低雷诺数下增加声功率可以显著提升换热性能，而在高雷诺数下这种效应则变得有限。

引言

提高换热效率仍然是各类换热设备面临的关键挑战。近年来，随着换热设备向小型化和集成化的方向发展，适合紧凑型换热器和微电子设备中平板通道的换热增强技术的发展变得至关重要 [1],[2]。换热增强方法通常分为三种：被动式、主动式和复合式 [3],[4],[5]。其中，工业换热器主要依赖被动式方法来增强换热，例如改变换热元件的结构 [6],[7]、应用表面涂层 [8]、使用纳米流体 [9] 以及加入扰流特征 [10],[11]。在被动方法中，添加凸起结构可以有效扰动边界层并提高换热效率。由于其几何结构简单、制造成本低且增强效果显著，波纹结构引起了广泛关注 [12],[13]。Jafari 等人 [14] 发现，波纹可以在壁附近通过周期性改变流动截面积来诱导流动分离和涡流生成，同时破坏热边界层的连续发展，从而实现换热增强。

边界层的演变和调控是理解换热增强机制的核心 [15]。靠近壁面的速度边界层和热边界层直接影响壁面与主体流动之间的热交换。根据 Zhao 等人 [16] 和 Amtout 等人 [17] 的研究，边界层的厚度和形态直接决定了壁面向主体流动的换热效率。边界层越厚，对流热阻越大，换热效率越低；相反，减薄或破坏边界层可以显著提高换热性能 [18],[19]。了解在波纹结构影响下的边界层演变是评估各种换热增强技术有效性的关键基础。

然而，被动式换热增强本质上依赖于结构对流体的扰动。引入这样的结构不可避免地会增加流动阻力，从而在增强换热和增加压降之间产生权衡。根据 AL-Daamee 等人的研究 [20]，波纹通道由于表面粗糙度的增加，其压降显著高于直线通道。此外，雷诺数条件也会影响波纹结构的换热增强效果。Rabby 等人 [21] 对不同波纹配置下的对流换热增强进行了研究。他们指出，随着雷诺数的增加，所有波纹结构的努塞尔数都有所上升，但在低雷诺数下的换热增强效果有限。因此，在不显著增加流动阻力的情况下进一步提高低雷诺数下波纹通道的换热性能已成为一个亟待解决的科学挑战。

作为一种典型的主动式换热增强技术，超声换热增强近年来受到了广泛关注 [22],[23],[24]。其基本机制主要归因于声空化和声流效应 [25],[26]。声空化是指超声波引起的正负压力交替作用导致空化气泡生长并最终破裂的过程。气泡破裂时产生的微喷射在近壁区域产生强烈的局部扰动，显著增强了局部对流换热 [27]。声流是由振动流体介质与相邻固体表面之间的相互作用产生的稳定循环流，有助于流体混合并提高换热效率 [28]。根据 Yemalwad 等人的研究 [29]，施加超声场可以减少平板上的热边界层厚度，局部换热系数最多可提高 103.7%。在微通道换热器中，Zhang 等人 [30] 发现，超声波和壁面凸起的协同作用显著增强了边界层湍流，在特定工作条件下努塞尔数提高了多达 94%。在固化换热器中，Chen 等人 [31] 通过使用 28 千赫兹的低频超声波有效抑制了冰的生长并减少了冰与表面的粘附，实现了 97.27% 的除冰率。

以往的研究主要集中在超声波在光滑通道中的增强效果 [32],[33] 或波纹结构的参数优化 [34],[35] 上。关于协同增强效应，Cui 等人 [36] 研究了微通道板换热器中主动式超声激发和被动式仿生脉冲结构的协同增强效果，为主动-被动协同增强提供了研究框架。此外，Du 等人 [37] 探讨了超声增强与被动复合嵌件的结合对换热和流动阻力的影响，展示了这种技术在高效节能换热应用中的巨大潜力。但很少有研究将主动式超声扰动与被动式波纹结构增强结合起来，以阐明它们对边界层的协同作用机制。基于上述分析，本研究研究了波纹板与水平平板之间形成的流动通道。通过考虑声压的非线性衰减来确定声压场分布，并建立了包含超声场的多物理场数值模型，该模型通过流体力学和传热控制方程中的源项进行计算。数值模拟系统地研究了超声波和波纹结构对边界层流动和换热特性的综合影响。随后，通过比较不同波纹高度、雷诺数和超声功率条件下的速度场、温度场和涡度分布，本研究揭示了超声激发引起的边界层换热增强机制。此外，基于性能评估标准，全面评估了波纹结构和操作参数对换热性能的综合影响。

章节片段

物理模型

本研究考虑的物理模型包括如图 1(a) 所示的水平和波纹板之间的通道。工作介质为水，超声激励应用于水平板的中心。为了更好地描述超声波对流体流动和换热的影响，选定了图 1(b) 中所示的超声激励表面附近（60–120 毫米）的区域作为局部观测区。

网格独立性验证

本研究采用四边形网格进行数值模拟，并在靠近壁面的区域细化了边界层网格，以准确解析近壁流动。在操作条件 H = 2.0 毫米、Re = 120 和 P_max = 244.300 帕的情况下，使用不同网格分辨率得到的出口速度和出口温度如图 2 所示。随着网格单元数量的增加，出口速度和温度的变化逐渐减小，并最终趋于稳定

无超声条件下的速度和温度分布

图 4 显示了在 Re = 120 且无超声条件下不同波纹高度下的速度和温度轮廓。如图 4(a) 所示，通道内流体的速度分布呈现周期性模式。当流体流经波纹凸起时，截面积的减小会导致局部流速加速。流经波纹凸起顶部后，主流速度逐渐减小，形成低速区域

结论

本研究研究了低频超声空化对波纹板和平板之间形成的通道中声场分布以及耦合流体流动和换热的影响。通过多物理场模拟（结合声场、流场和热场），揭示了超声能量源和波纹物理结构对边界层演变和沿波纹壁面换热性能的协同作用。

CRediT 作者贡献声明

李彬：撰写——初稿、软件开发、方法论、形式分析、概念构建。杨向阳：撰写——审稿与编辑、形式分析。向晓彤：撰写——审稿与编辑、研究工作。林伟翔：撰写——审稿与编辑、概念构建。王思敏：撰写——审稿与编辑、监督、资金获取、概念构建。

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我们声明与任何可能不正当影响我们工作的个人或组织均无商业或个人关系。

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