利用周期性截面变化强化小通道中近临界二氧化碳的持续对流换热

《Applied Thermal Engineering》：Sustained convective heat transfer enhancement of near-critical carbon dioxide in small channels using repeating cross-sectional variations

　　

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  重复通道几何形状能维持近临界CO?流动中的传热增强。
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  增强传热区域比单元件通道延长2倍以上。
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  锯齿形几何形状增加传热，但压降损失超过150%。
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  波浪形几何形状提供中等增强，改善热流性能。
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  结果展示了通道设计中持续增强与压降之间的权衡。

引言

随着对安全、环境可持续且能够处理越来越高的热通量的应用需求增长，对高性能传热流体的需求日益增加，例如电子冷却、半导体制造、航空航天系统和发电等领域。超临界二氧化碳（sCO?）是一个有前景的候选物质，因其低毒性、不可燃性、低全球变暖潜力以及有利的传输特性，包括高热容和相对较低的粘度 [1], [2], [3]。

在临界点附近（T_crit = 31.03 °C，P_crit = 7.38 MPa），sCO?表现出强烈的热物性变化，包括在拟临界温度附近比热的急剧增加。当主体流体温度通过该区域时，这些物性变化可以显著增强对流传热。然而，它们也引入了限制实际系统性能的挑战。在高热通量条件下，由于靠近加热壁面形成低密度、类气层，传热系数通常会恶化 [4], [5], [6], [7]。这个近壁区域的导热系数降低，成为传热的主要阻力。

正如我们之前的工作 [8] 详细所述，近临界CO?流动中的传热增强强烈受主体流体与近壁类气层之间相互作用的影响。当较冷的、高比热的拟临界流体被输送到近壁区域时，可获得高的传热系数；而当稳定的类气膜形成并抑制这种相互作用时，会发生恶化。浮力效应在某些方向上可通过促进低密度流体从壁面移除而部分缓解这种行为 [4], [9]，但这种机制是有限的，在实际热管理系统中不易控制。

增强传热的一个有前景的被动方法是用变截面通道几何形状。在具有近似恒定物性的单相流动中，收缩和扩散通道通过产生额外的湍流动能和二次流结构来增强传热，从而增加核心区与近壁区之间的混合 [10], [11], [12]。在近临界CO?模拟中也观察到了类似的机制，其中湍流动能的增加与局部传热系数的改善密切相关 [13], [14], [15], [16]。这些研究表明，几何诱导的混合可以部分克服近壁物性变化带来的限制。

在我们之前的实验研究 [8] 中，我们研究了具有单个几何元件的通道，包括阶梯形和斜坡形收缩和扩散配置。所有几何形状相对于直通道基线都产生了可测量的增强。阶梯形几何形状由于不连续性附近的强混合，产生了大的但空间局部化的传热增加；而斜坡形几何形状产生了更分散但强度较低的增强。然而，在所有情况下，随着类气近壁层重新形成和流动恢复基线行为，增强会在下游衰减，这促使了本研究的开展。

实际应用需要在延长通道长度上维持持续的传热性能，以充分冷却组件并维持温度均匀性。重复几何变化提供了一条潜在的途径，通过持续促进混合和延迟类气近壁层的重新形成来实现这一点。周期变化通道的先前数值研究表明，这种配置可以维持较高的湍流动能并改善下游性能 [16], [17]，但对于这些几何形状中近临界CO?流动的实验数据有限。

因此，本工作的目标是实验研究使用具有重复锯齿形和正弦形（波浪形）几何形状的通道在近临界CO?流动中的传热增强。基于我们之前工作 [8] 的发现，该研究表明单个几何元件的传热增强高度局部化，并随着类气热边界层的重新发展而在下游迅速衰减，本研究探讨周期重复的几何特征是否能持续中断此边界层发展，以在延长距离上维持增强。本工作考察了重复收缩和扩展是否能延长传热增强的空间持续性、在热通量增加时维持较高的传热系数，以及改变热性能与压降之间的平衡。

章节摘要

实验装置和红外测试段

本研究中使用的实验环路和红外测试段在我们的之前工作中有详细描述 [8], [18]。系统示意图和照片见图1，系统和仪表的总结提供如下以保完整性。

该设施由一个充满二氧化碳并用高压氮气加压的闭环系统组成。流动由齿轮泵驱动，用科里奥利流量计测量，而入口温度

结果与讨论

实验在标称对比压力下（1.05（7.76 MPa））进行，测试条件总结见表2。这些工况在所有测试段几何形状和流动方向下运行。

结论

本实验研究了使用具有重复截面变化的小通道（包括锯齿形和正弦形（波浪形）几何形状）在近临界二氧化碳流动中的传热增强。这些配置与直通道基线以及我们关于单元件几何形状的先前工作 [8] 进行了比较。

结果表明重复几何形状能有效延长传热增强的空间持续性。与单元件

CRediT 作者贡献声明

Lindsey V. Randle: 写作 – 审阅与编辑，写作 – 原稿，可视化，验证，方法论，调查，正式分析，数据管理，概念化。 Brian M. Fronk: 写作 – 审阅与编辑，监督，资源，项目管理，资金获取，概念化。

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，这些可能影响本论文中报告的工作。

致谢

本材料基于美国国家科学基金会资助的工作（编号 2235356）。

Lindsey V. Randle | Brian M. Fronk