环形挡板凹坑管内冰浆流动的颗粒输运与热工水力性能

《International Communications in Heat and Mass Transfer》：Particle transport and thermo-hydraulic performance of ice slurry flow in a ring-baffled dimpled tube

　　

•提出了一种环形挡板凹坑管，用于提高冰浆输送性能。
•环形挡板促进了流体更新，削弱了近壁颗粒滞留。
•颗粒分层和轴向堆积减少，抑制了堵塞趋势。
•雷诺数（Re）和入口冰体积分数共同控制着热工水力性能。
•XGBoost 准确预测了 PEC，SHAP 识别出 Re 为主导因素。
Introduction
随着对高效冷能存储、传输和利用需求的增加，高性能二次冷却介质在制冷和热能系统中受到了越来越多的关注 [1]。在区域供冷 [2]、冷链运输 [3] 和冷热能存储 [4] 等应用场景中，预期冷却介质能将良好的传输特性与高冷能携带能力相结合。冰浆是一种可泵送的基于固液相变的介质，由分散在载液中的细冰颗粒组成，结合了冰的潜热和流体的可传输性，提供了高冷能存储密度和良好的传热性能 [5]。因此，冰浆越来越被认为是低温热管理和储能应用中一种前景广阔的二次制冷剂及冷能载体。
然而，尽管具有这些有利的热特性，冰浆的管道输送仍然受复杂的固液两相相互作用支配 [6]。之前的实验和数值研究表明，其水力和热力行为受流速、冰浓度和冰颗粒不均匀传输的强烈影响，导致压降、传热和相分布的变化 [7], [8]。在相对较低的流速或较高的冰浓度下，颗粒滑移、分层、碰撞和聚合行为变得日益重要，冰晶可能在局部低速区域优先积聚 [9], [10]。这种异质颗粒传输会促进局部冰富集并增加水力阻力；当流速不足以维持稳定的颗粒传输时，持续的积聚可能进一步发展为冰堵塞 [11]。如图 1 所示，这些传输特性表明，稳定的冰浆输送不仅取决于整体流动条件，还取决于对局部流动结构和颗粒重新分布的有效调节。因此，开发合适的流动调节策略来破坏持续的低速滞留并抑制连续的颗粒积聚，对于同时维持热工水力性能和减轻堵塞趋势至关重要。
结构改性长期以来被认为是一种增强对流传热的有效被动方法，因为几何扰动可以促进流动混合和边界层更新 [12], [13]。在各种增强结构中，凹坑管引起了广泛关注，因为它们可以在保持相对简单管配置的同时加强近壁流动扰动。Thianpong 等人 [14] 表明，腔体诱导的回流结合旋流可以显著增强传热，而 Dagdevir 等人 [15] 证明凹坑几何形状直接影响传热增强和流动阻力。Sabir 等人 [16] 进一步发现，凹坑排列在决定热工水力性能方面起着重要作用。随后对深凹坑、椭圆凹坑和椭球凹坑的研究一致证实，几何变化改变了局部涡旋发展、流动分离和再附着，从而改变了传热增强与水力损失之间的平衡 [17], [18], [19]。对于冰浆，Bekri 和 Pakravan [20] 最近证明具有不同几何配置的凹坑管具有热工水力潜力。然而，现有研究主要集中于传热、流动阻力和几何优化，而凹坑诱导的局部扰动是否能提供持续的颗粒重新分布并抑制持续的冰颗粒积聚，目前了解不足。
为了克服主要由局部凹坑诱导扰动造成的有限重新分布能力，需要一种额外的流动调节机制，能够周期性地重新组织近壁流动并增强截面动量交换。Mohammed 等人 [21] 研究了横向波纹管，证明周期性横向扰动可以显著改变内部流场和热工水力性能，波纹的几何尺寸和间距起着重要作用。Ranjan 和 Saha [22] 进一步表明，横向肋可以与二次流相互作用以强化流体混合和传热。类似的效应也在环形内肋结构中有报道，发现肋尺寸、间距和数量的变化会影响流动组织和热性能 [23], [24]。这些结果表明，周期性排列的环形凸起可以诱导一种不同于凹坑产生的局部回流的流动调节机制。因此，本研究将环形挡板引入凹坑管，以耦合凹坑诱导的局部分离和挡板驱动的周期性流动重新分布。这种联合作用预计能增强近壁流体更新，破坏低速区域，并促进冰颗粒重新分布。然而，这种混合结构对冰浆颗粒传输、聚集体及其热工水力性能的影响仍不清楚。
增强管内冰浆的流动和传热涉及运行条件、几何参数和颗粒传输行为之间的强非线性相互作用，使得通过传统数值模拟进行广泛的参数探索在计算上非常昂贵。机器学习（ML）提供了一种高效的补充方法，用于从数值或实验数据集中提取非线性输入 - 输出关系，并实现对广阔参数空间内性能的快速预测 [25]。之前的研究证明了 ML 和深度学习方法在预测传热特性和构建复杂热流体系统降阶模型方面的有效性 [26], [27]。最近，基于 CFD 的 ML 框架已被应用于从多个几何和运行参数预测热工水力性能，进一步凸显了将数值模拟与数据驱动建模相结合的潜力 [28]。机器学习方法也越来越多地应用于更广泛的能源系统，用于性能预测、效率提高和非线性关系识别 [29], [30]。除传统能源应用外，AI 辅助分析进一步扩展到了综合能源系统评估和可持续能源 - 水技术 [31], [32]。然而，仅具有高预测准确性对于了解单个变量如何影响模型输出提供的洞察有限。SHAP 等可解释 ML 方法可以量化特征贡献，并揭示参数影响的相对重要性和方向 [33], [34]。因此，将基于 CFD 的数据集与 ML 预测和 SHAP 解释相结合，提供了一个有效框架，用于快速评估冰浆输送系统的多参数热工水力性能，同时保留对主要影响因素的洞察。
基于上述研究背景，本研究调查了环形挡板凹坑管内冰浆的流动、传热和冰晶传输特性。系统评估了结构参数和运行条件对热工水力性能、颗粒分布和潜在堵塞风险的影响。基于数值结果，建立了机器学习数据集，以比较多种回归模型并确定适用于快速性能预测的合适模型。同时，采用可解释机器学习来量化关键结构和运行参数的影响，并阐明它们对整体性能的相对贡献。本研究的结果为理解环形挡板凹坑管的流动调节特性以及改进冰浆输送系统的结构设计和稳定运行提供了理论依据。
章节摘要
物理模型
计算几何是一个配备周期性排列环形挡板的凹坑圆管。管表面球形凹坑的基本几何参数，包括凹坑深度、凹坑间距、轴向凹坑数量和凹坑半径，是基于 Bekri [20] 报告的几何尺寸选择的。为了比较，还考虑了没有凹坑或环形挡板的平滑圆管和没有环形挡板的凹坑基线管。凹坑
流动结构和冰晶分布特性
图 9、图 10 展示了相同运行条件下不同管配置下的纵向和截面速度分布。在平滑圆管中，轴向速度沿流动方向保持几乎均匀，截面呈现典型的轴对称单峰轮廓，表明具有弱横向混合的充分发展流动。引入凹坑结构后，近壁速度梯度和局部涡旋略微
结论
本研究数值调查了环形挡板凹坑管内冰浆的流动和传热特性。系统分析了流动结构、冰晶传输行为和综合性能指标 PEC。此外，采用机器学习预测不同参数组合下的 PEC，并解释不同变量的影响。结果表明，环形挡板结构改变了近壁流动扰动和
符号 a(Ld)
颗粒破碎频率 (s?1)
bLd
子颗粒尺寸分布
Bagg
因颗粒聚合产生的出生项
Bbr
因颗粒破碎产生的出生项
c1–c4
颗粒破碎模型的系数
C
颗粒形状因子 (?)
cp
比热容 (J·kg?1·K?1)
d
管半径 (mm)
Dagg
因颗粒聚合产生的死亡项
Dbr
因颗粒破碎产生的死亡项
f
摩擦因子 (?)
f(x,r,t)
颗粒数密度函数
h
传热系数 (W/m2·K?1)
hr
环形挡板高度 (mm)
k
导热系数 CRediT
作者贡献声明
杨晓新：写作 - 原稿，验证，软件，方法论，调查，形式分析。钱佐钦：写作 - 审阅与编辑，监督，调查。王强：写作 - 审阅与编辑，方法论，数据整理，概念化。周梅：验证，软件，方法论。
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的竞争性财务利益或个人关系可能影响本论文报告中工作的出现。
致谢
我们衷心感谢匿名审稿人提出的宝贵意见，这对提高我们论文的质量起到了很大作用。
杨晓新 | 钱佐钦 | 王强 | 周梅