基于新型不同凹坑-凸起排列构型的流向影响及传热水力性能强化

《International Communications in Heat and Mass Transfer》：Influence of flow direction and enhancement of thermal-hydraulic performance promotion based on novel different dimple-protrusion arrangement configurations

　　

摘要
本研究对配备凹坑–凸起表面结构的换热管的热力液压特性进行了全面的数值与实验研究。凹坑–凸起结构的引入产生了局部回流区和对称的反向旋转涡对，显著改变了近壁流动行为。这些二次流结构促进了强烈的流体混合，并有效削弱了热边界层，从而增强了对流换热性能。本研究系统地考察了多种几何参数的影响，包括五边形凹坑–凸起组（PDPG），其组数在3至5组之间变化；三分水平凹坑–凸起组（THDPG），其凹坑组配置在3至5组之间变化；以及三分垂直凹坑–凸起组（TVDPG），其凹坑组数在3至5组之间变化。分析在4000 ≤ Re ≤ 15,000的湍流条件下进行。所提出的配置方案的热力液压行为采用三个主要性能指标进行评估：归一化努塞尔数（Nu/Nu?）、归一化摩擦因子（f/f?）和热增强性能因子（TEPF）。生成的涡结构之间的相互作用与核心流之间的相互作用增强了动量和能量传输，导致更强的混合机制和加热表面附近流体的不断更新。因此，热边界层厚度减小，传热能力显著改善。预测的热力液压性能参数随几何配置和运行雷诺数的不同而表现出显著变化。在所有研究案例中，PEF值均在0.78–1.2的范围内。

引言
被动式传热增强技术被广泛应用于换热系统中，因为它们无需额外外部能量输入即可提高热性能。这些增强策略通常可分为两大类：扰流器技术和技术面改性技术。扰流器类别包括扭曲和波纹带[1]、[2]、[3]、线圈插入件[4]、[5]、[6]、[7]以及V形挡板[8]、[9]、[10]、[11]。表面改性方法主要包括波纹管[12]、[13]、[14]以及凹坑/凸起几何形状和相关的表面配置[15]、[16]、[17]、[18]。这些增强方法的基本目标是通过产生二次运动、旋流、回流区、涡结构和对反向流动模式来改变流道内的水动力学行为。这些机制强化了流体混合，扰乱了热边界层，并增加了湍流水平，从而促进了换热。粗糙表面管和配备扰流器的管均表现出热增强因子（TEF）超过1的性能，优于传统的平滑管。通常，插入式扰流器往往能实现更优的传热增强，特别是在包含V形肋片或挡板的配置中。然而，这些装置经常施加显著的水力惩罚，因为它们阻碍了核心流区域，导致压力损失升高。因此，从能耗角度来看，粗糙表面管提供了更具吸引力的替代方案，因为流动扰动集中在近壁区域，而不是贯穿整个横截面。这种局部改性降低了实现增强热性能所需的泵送功率，同时保持可接受的压力降特性。

在传热增强应用领域，如太阳能空气加热器、双管换热器和壳管式换热器中，针对凹坑管技术进行了大量研究。在这些技术中，波纹管因其能够同时增加传热面积和改变流动结构而受到广泛关注。Abdollahpour等人[13]报告称，管壁波纹扩大了有效传热表面，传热系数相较于光滑管提高了约35–51%。同样地，Alzaben等人[14]证明螺旋沟槽管的传热率比光滑通道高出14%。波纹管的增强性能很大程度上归因于二次流结构的产生，包括回流和旋转运动，这些运动改善了流场中的动量和热量传输[1]、[2]、[3]、[4]。Li等人[15]观察到横向波纹主要产生回流区，而螺旋波纹则诱发强烈的旋转运动。这些流结构减小了热边界层厚度，从而提高了传热性能，螺旋波纹管的最大TEF为1.07。同样，Cang等人[16]发现螺旋波纹管中形成了显著的旋流，并证明湍动能随波纹深度增加和波纹节距减小而增大。

除传热增强外，还有多项研究考察了波纹几何形状的热力学后果。例如，波纹管中的熵产报告称比传统U形弯管高出约19–401%，原因在于流动混合和二次运动的增强[17]。Gong等人[18]观察到螺旋缠绕波纹管的热性能提高14–54%，努塞尔数提高10–40%，摩擦因子提高6.9–20%。Mehrjardi等人[19]研究了螺旋波纹管中充分发展的流动和热传输特性，报告最大TEF为1.16。通过混合方法实现了进一步增强；例如，配备挡板的波纹管传热量比包含挡板的平滑管高出约2.5倍[20]。同样，在波纹管中使用TiO?–H?O纳米流体使传热性能比光滑管提高5%至67%[21]。波纹管技术已成功应用于工业换热系统。Gao等人[22]和Thanh等人[23]研究了包含波纹管的壳管式换热器，证明波纹产生的强二次流结构在改善整体热力液压性能中起关键作用。Che等人[24]研究了采用波纹管的双管换热器，报告其热增强因子比光滑管对应物高出8.5%。Xie等人[25]进一步表明，采用螺旋波纹内管的双管换热器中，逆流操作比并流操作具有更优的传热性能。与实验和数值研究并行，优化方法也得到了应用。遗传算法与多目标非支配排序遗传算法II（NSGA-II）结合使用，以识别最优波纹几何形状，在最大化传热的同时最小化水力损失[26]。此外，人工神经网络模型和群式数据处理法（GMDH-ANN）方法成功预测了采用波纹管吸收器的太阳能集热器的热效率[27]。

除波纹表面外，凹坑和凸起管几何形状已成为高效被动增强技术[28]。研究了各种表面形态，包括圆形、半圆形、椭球形、交叉椭球形、凹坑–凸起组合、梯形和泪滴形配置。先前研究系统地考察了几何尺寸、节距比、深度和排列模式（如直列、交错和螺旋分布）的影响。这些结构的增强机制主要与流动分离、边界层破坏以及产生复杂的涡流系统有关，后者改变了通道内的速度和温度分布。根据几何设计，可能出现各种流结构，包括马蹄形涡、反向旋转涡对、龙卷风状涡以及其他二次流现象[28]。螺旋排列的凹坑被证明能诱发旋转运动，进一步促进流体混合和热传输[29]。与光滑管相比，许多凹坑和凸起配置在传热和热力液压性能方面均表现出显著提升。Al-Haidari等人[30]报告凹坑管配置的最大TEF为1.29。Zhang等人[31]发现椭球形凹坑使传热提高约16–19%，而Arun等人[32]后续研究表明交叉组合椭球形排列使传热相对于传统椭球形凹坑进一步增加19–49%。

其他研究证实了凹坑–凸起组合几何形状的有效性。Liao和Jing[33]报告凹坑–凸起表面的最大TEF为1.4，而Eiamsa-ard等人[34]使用交叉波纹配置实现了最大TEF为1.5。Khashaei等人[35]、[36]证明交叉椭球形和泪滴形凹坑的最大TEF值分别为1.58和2.06。此外，Al-Obaidi和Alwatban[37]成功开发了能够保持TEF值大于1的凹坑管配置。Farsad等人[38]观察到凹坑–凸起结构有效增加了传热，仅施加中等压力降惩罚。Mashayekh等人[39]研究了凸起深度的影响，报告增加凸起深度会强化湍流产生并提高传热性能。此外，Xie等人[36]得出结论，泪滴形凹坑优于半圆形和椭球形设计，因为它们同时提供更高的传热率和更低的摩擦损失。几何间距在决定热力液压性能方面也起重要作用。早期研究表明，增加凹坑节距比通常会降低传热增强和摩擦阻力[40]。最近，Mehrjardi和Mazaheri以及Liao等人[19]、[41]、[42]、[43]、[44]、[45]、[46]研究了凹坑表面在涡轮叶片冷却系统中的应用，证明此类配置可将叶片表面温度降低多达130 K。这些发现凸显了凹坑–凸起技术在保持可接受的水力性能特性的同时改善先进工程系统热管理方面的巨大潜力。

尽管取得了这些进展，现有文献中仍存在若干局限性。大多数先前研究集中关注孤立凹坑几何形状或相对简单的凹坑–凸起排列，对沿管整个周向分布的多个凹坑–凸起组之间的系统相互作用关注有限。此外，先前研究主要评估单个几何参数的影响，而凹坑分组、周向排列和相邻结构三维相互作用的综合效应仍了解不足。在许多报告的配置中，增强机制主要由腔体诱导回流或凸起诱导流动加速主导，而这两种机制之间的协同耦合尚未得到充分探索。因此，本研究旨在通过开发一种新型耦合凹坑–凸起管配置来解决这些局限性，该配置由系统排列的三维凹坑–凸起组组成，分布在完整周向表面上。与传统的凹坑表面或连续波纹管不同，所提出的设计允许通过独立调整凹坑组排列参数来控制局部涡结构的产生和相互作用。这种方法为优化传热增强与水力阻力之间的平衡提供了额外的几何自由度。本研究的创新之处在于建立凹坑–凸起组排列与所产生流体力学之间的关系，包括涡演化、二次流发展、边界层破坏和热力液压性能。通过系统在相同运行条件下检查多种几何配置，本研究为高性能被动传热表面的设计原则提供了新的见解，并促进了紧凑高效换热技术的发展。

本工作引入了一类新的被动传热增强表面，称为凹坑–凸起排列配置（PDPG）管，其热力液压行为主要受凹坑–凸起元素的空间组织支配，而非改变其个体几何形状。与先前报告的凹坑或凸起管不同，后者中的凹坑通常以固定的传统直列、交错、螺旋或均匀重复模式分布，所提出的概念采用经过刻意设计的排列配置来改变相邻涡产生元素之间的相互作用。开发了三种根本不同的配置，即五边形凹坑–凸起组（PDPG）、三分水平凹坑–凸起组（THDPG）和三分垂直凹坑–凸起组（TVDPG），每种配置均研究三种不同的组密度（3–5组）。与先前主要研究凹坑形状、深度、直径或节距影响的研究不同，本研究隔离并系统评估组拓扑和定向对湍流发展和传热增强的影响。所提出配置的科学贡献不仅在于引入新的表面图案。凹坑–凸起组的独特空间组织产生了不同的涡相互作用机制，导致涡合并、流动再附着、二次流强度和近壁湍流产生方面的差异。因此，每种排列通过不同的物理机制改变动量和热能传输，导致边界层破坏与水力阻力之间的不同平衡。这种由排列控制的涡相互作用在此前的凹坑或凸起传热表面研究中尚未得到系统考察，其重点主要在于单个表面特征尺寸而非集体组组织。本工作的另一项创新在于建立表面排列拓扑、涡演化和热力液压性能之间的全面关系。对速度场、湍动能、壁面剪应力、局部努塞尔数分布、壁面温度轮廓和整体性能指标的详细分析相结合，揭示了观察到的增强现象背后的物理机制。

该方法能够识别与每种构型相关的占主导地位的对流过程，并从机理上解释了排列拓扑如何控制传热增强和压力损失特性。据作者所知，此前尚未有研究在雷诺数范围为4000 ≤ Re ≤ 15,000的相同湍流条件下，对五边形、三分水平式和三分垂直式凹坑-突起组排列进行数值模拟与实验相结合的比较研究。因此，本研究通过证明凹坑-突起组的排列拓扑构成一个独立且影响显著的设计参数，能够控制涡动力学并优化对流传热增强与水力损失之间的权衡，从而贡献了新的科学知识。研究结果为基于排列控制表面工程而非仅仅修改单个凹坑几何形状来开发下一代高性能换热器管材建立了实用设计准则。尽管大量研究表明凹坑表面和凹坑-突起表面能够通过促进流动分离、涡旋生成和边界层破坏来有效增强对流传热，但大多数研究集中在优化单个几何参数上，包括凹坑直径、深度、节距、突起高度和表面覆盖率。现有研究也主要采用传统的特征分布方式，如直线排列、交错排列、螺旋排列或均匀重复排列，同时假设凹坑-突起元素的空间组织在确定热流体力学性能方面起次要作用。因此，排列拓扑对涡演化、二次流相互作用、湍流输运以及传热增强与水力阻力平衡的影响仍未得到充分理解。此外，以往研究通常只评估单一排列图案或仅比较孤立的几何参数，使得难以区分特征组织的独立效应与特征尺寸的效应。因此，目前尚未系统了解在不同运行条件下，不同的凹坑-突起组拓扑如何影响涡相互作用、流动再附着、湍流产生、壁面剪切应力和热边界层再发展。这一局限性阻碍了基于排列优化的强化传热表面通用设计原则的建立。现有文献中的另一个重要局限是，大多数研究强调整体热力和水力性能指标，如努塞尔数和摩擦系数，而没有将这些宏观参数与基础输运机理进行全面联系。对不同凹坑-突起排列拓扑的速度场、湍流动能分布、壁面剪切应力、局部努塞尔数分布和壁面温度特性的详细分析仍然稀缺，特别是在宽湍流雷诺数范围内同时结合数值预测和实验验证的情况下。为解决这些未解决的问题，本研究提出了一种凹坑-突起排列构型（PDPG）概念，通过受控的空间组织表面特征来实现传热增强，而不是通过改变单个凹坑或突起的几何形状。本研究提出了三种此前未被探索的排列拓扑：五边形凹坑-突起组（PDPG）、三分水平凹坑-突起组（THDPG）和三分垂直凹坑-突起组（TVDPG）。与以往研究不同，本研究通过实验测量和经过验证的数值模拟，在相同的湍流条件（4000 ≤ Re ≤ 15,000）下系统隔离排列拓扑的影响，考察多种组构型。研究进一步建立了排列拓扑、涡演化、动量输运、热边界层破坏与整体热流体力学性能之间的直接关系。因此，本工作提供了理解凹坑-突起管中排列控制涡工程的首个综合框架，并证明表面拓扑是优化换热器性能的独立设计参数。

章节摘要

凹坑-突起排列管几何结构与边界条件

图1展示了所提出的凹坑-突起排列管（PDPG）的计算模型，该模型通过沿管壁整合各种朝向和分布的凹坑-突起表面特征而开发而成。该几何概念旨在通过受控的表面扰动来改变近壁流动结构，从而增强流体混合和传热性能。水被选为工质，并在计算域入口处引入。

实验设施与仪器

设计和建造了一套全面的实验设施，以在受控运行条件下研究所提出的凹坑-突起排列构型（DPAC）管的热流体力学性能。实验系统被配置为闭式循环水循环系统，以在整个测试过程中提供稳定的热力和水力边界条件。完整装置的示意图如图3所示。实验回路

验证

为了建立计算框架的可靠性和预测能力，通过将数值结果与文献中已有的经验关联式进行比较，进行了全面的验证过程。水力性能预测的验证通过将计算的摩擦系数值与内部湍流常用经验公式进行对比来完成。这一过程确保了数值模型

不同PDPG、THDPG和TVDPG管中速度场的发育与周期性

图5展示了在雷诺数Re = 15,000下，所有研究构型在图中所示监测位置处沿管道轴线的速度分布。五边形凹坑-突起组（PDPG）的影响范围从3到5组，三分水平凹坑-突起组（THDPG）范围从3到5个凹坑组构型，以及三分垂直凹坑-突起组（TVDPG）范围从3到5个凹坑组。

结论

本研究对一种新开发的凹坑管的热流体力学行为进行了全面的CFD研究，该凹坑管旨在实现被动传热增强。在雷诺数从4000到15,000的湍流条件下，对通过系统变化凹坑几何参数生成的几何构型进行了评估。数值结果为了解凹坑管中控制输运增强的流动物理特性提供了新的见解，并建立了

CRediT作者贡献声明

Ahmed Ramadhan Al-Obaidi：撰写-审稿与编辑、撰写-原稿、可视化、验证、监督、软件、资源、项目管理、方法学、调查研究、资金获取、形式分析、数据整理、概念化。Anas Alwatban：撰写-审稿与编辑、验证、软件、资源、方法学、形式分析、概念化。

利益冲突声明

作者声明不存在利益冲突。

致谢

在本研究中，作者感谢伊拉克巴格达穆斯塔辛尼亚大学（www.uomustansiriyah.edu.iq）的支持。

Ahmed Ramadhan Al-Obaidi | Anas Alwatban