带孔环形内插件对水冷管传热效果的数值与实验研究

《Scientific Reports》：Numerical and experimental study of perforated-ring inserts for water-cooled tube heat transfer

　　

摘要

集热管中的热损失限制了水冷光伏光热系统的效率。本研究提出了一种装有开孔环形插入件的集热管，将高分辨率计算流体力学（CFD）优化与实验热工水力测试相结合。在恒热通量1000 W/m²、雷诺数897至6505的条件下进行CFD研究，用于优化开孔形状（圆形、方形、三角形）、每环开孔数量（3–7）、环内径（3.1–7.1 mm）以及环的排列方式（2–6环）。经CFD评估选定的环形插入件（圆形几何构型、每环6个开孔、环内径7.1 mm、共5环）被制造并进行实验评估。结果表明，所选设计使热工水力性能因子（THPF）提高了77.1%，显示出传热性能的显著提升。实验结果与CFD模拟结果吻合良好，偏差限制在±3%以内。这些结果验证了开孔环形插入件作为一种有效的被动策略，可用于提高先进PVT应用中集热管的冷却效果。