《International Journal of Heat and Fluid Flow》：Investigation on flow and heat transfer characteristics in a novel staggered fin structure based on a microwave oven magnetron
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提出了一种新型的交错小叶片结构，用于磁控管冷却。
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开发了一个风洞试验台来验证计算流体动
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提出了一种新型的交错小叶片结构，用于磁控管冷却。
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开发了一个风洞试验台来验证计算流体动力学（CFD）的预测结果。
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该结构使阳极温度降低了66.3°C。
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该结构使j增加了25.2%，而f仅增加了9.8%。
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采用PEC方法评估了整体的叶片性能。
引言
随着自然资源的日益紧张，对高效能量转换系统的需求持续增长。换热器是这类系统的关键组件，其性能直接影响到整个工业的能源消耗。因此，提高传热效率至关重要（Chua等人，2025年）。由于结构紧凑且简单，翅片管式换热器被广泛应用于制冷、电子冷却和发电系统（Awais和Bhuiyan，2018年）。
关于翅片管式换热器的研究通常集中在涡流发生器上，涡流发生器可以增强传热效果，但也会增加流动阻力。Lin等人（2015年）和Dang等人（2018年）报告称，上游的涡流发生器可以减少管子周围的机械能损耗，而下游的涡流发生器则可以减小尾流尺寸并促进混合。Liang等人（2025年）将圆形上游管子和椭圆形下游管子与优化的涡流发生器结合使用，使努塞尔数（Nusselt number）提高了15.8%，性能评估指标（PEC）提高了7.72%。带孔的涡流发生器可以在限制压力损失的同时进一步增强传热效果（Lu和Zhou，2016年；Saini等人，2023年；Gupta等人，2020年），而波浪形涡流发生器提供了另一种提高热流体性能的方法（Song等人，2024年；Leylakoohi和Deylami，2026年）。
研究人员还将仿生学原理应用于整体叶片几何形状，以在限制流动阻力的同时增强传热效果。Zhao等人（2026年）基于游隼的空气动力学设计了一种仿生叶片结构，与传统叶片相比，传热能力提高了16.39%。Li等人（2020年）表明，受鲨鱼皮肤启发的叶片可以改善表面温度的均匀性。
一些研究人员将直叶片改进为波纹状或百叶窗状结构进行实验研究。Okbaz等人（2020年）发现，百叶窗状叶片通过破坏边界层来增强传热效果，而波纹状叶片通过延长流动路径和诱导流动分离来增加传热面积。Liu等人（2025年）通过实验比较了波纹状叶片和光滑内管，发现波纹结构显著提高了整体传热效果，努塞尔数增加了2.14到2.16倍。多项研究基于叶片间距、横向管间距、纵向管间距、百叶窗角度和垂直板间距等几何参数分析了百叶窗式换热器的传热和摩擦性能（Jin等人，2025年；Karthik等人，2015年；Sadeghianjahromi等人，2018年）。
开槽和百叶窗状叶片通过类似机制增强传热效果：两者都引入了不连续性，中断了边界层的发展并减少了边界层厚度。错开的槽还可以促进流体混合，其效果可能优于单侧槽。Sorour等人（2025年）通过改变错开叶片的排数、高度、厚度、间距和间距来确定最佳传热几何形状。Wang等人（2025年）发现，槽高度对槽式翅片管式换热器的整体性能影响最大，而槽长度和宽度的影响较小。Kong等人（2016年）比较了连续和交替排列的矩形槽，发现交错排列的矩形槽提供了最佳的整体性能。Cheng等人（2004年）使用三维层流耦合传热模型通过场协同分析表明，平面叶片的协同角最大，传热能力最低。Zhang等人（2024年）研究了梯形开槽叶片，并确定纵向管间距是最具影响力的几何参数。
微波炉中的磁控管冷却叶片是翅片管式换热器的典型应用。随着微波炉功率的增加和体积的减小，磁控管在有限的空间内会产生大量的热量。冷却不足会降低微波输出效率，影响运行稳定性并缩短使用寿命。最近的研究强调了磁控管的微型化（Li等人，2024年；Xi等人，2025年），但更小、更密集的电子元件加剧了热管理挑战（B?jenescu，2021年）。据报道，过热导致了55%的电子设备故障，设备可靠性每升高10°C就可能下降50%（Ma等人，2022年）。因此，磁控管的安装空间有限以及冷却管道的布局对其散热片提出了更高的要求。
尽管在管翅式换热器的叶片优化方面进行了大量研究，但大多数研究集中在空调和一般工业应用上，对微波炉磁控管冷却的关注相对较少。此外，用于雷达通信、医疗设备和道路维护的微波加热系统也面临严重的热管理挑战。随着磁控管功率密度的不断增加，产生的热量也越来越严重，迫切需要高效的热量散发结构来提升磁控管冷却性能，确保设备的可靠运行。因此，本研究将整个叶片组件作为优化目标，而不是孤立的部分特性。提出了一种新型的交错分段叶片几何结构，将叶片延伸到旁通流区域，抑制尾流区域，打破热边界层，并使下游的小叶片暴露在较冷的气流中。通过风洞实验确定了操作条件，并利用耦合传热模拟评估了基于Colburn j因子、摩擦因子和PEC的六种配置。优化设计使三叶片磁控管能够在允许的温度范围内运行，而传统家用磁控管通常需要四到六片叶片。与传统的基于涡流发生器的优化策略不同，所提出的结构同时提高了旁通气流的利用率，减少了尾流的形成，中断了连续的边界层发展，并缩短了有效的传热路径。这项工作为提升磁控管冷却系统和其他紧凑型管翅式换热器的热性能提供了新的策略，同时减少了铝的消耗、重量和制造成本。
章节片段
实验设备和程序
家用微波炉中的磁控管通过强制空气进行冷却。设计了一个风洞试验装置来模拟这种工作条件。试验段的宽度和高度与原型磁控管相同（0.0772米×0.0570米）。使用与阳极尺寸相同的电阻加热铜块来模拟阳极的热负荷。在温度控制的实验室中，环境温度为25°C时进行了初步的温度升高测试。
物理模型和边界条件
开发了一种新的叶片几何结构，以提高单管翅片管式散热器的传热性能并降低中心铜块的温度。图6比较了基线和提出的几何结构。所提出的叶片具有分段、交错的布局，两侧有小叶片。其展开面积等于成型前的原始板材面积，这减少了材料浪费，同时增加了有效的热交换面积。从中心区域移除的材料被重新分配。
原型叶片结构的流动和传热分析
三叶片基线磁控管的模拟结果显示铜块温度为412.7°C。为了量化性能的空间变化，将叶片划分为14个区域（图10）。表4列出了每个区域的传热率、表面积和平均传热系数。这些数据与下面的速度和温度场进行了比较，以识别基线几何结构的主要局限性。
结论
本研究调查了家用微波炉磁控管错位叶片散热器的热流体性能。所提出的分段几何结构易于制造，将计算出的阳极温度从412.7°C降低到了346.4°C，满足了运行温度要求。由于传统磁控管通常使用四到六片叶片，因此所提出的设计可以减少至少一片叶片。由于本研究关注的是家用微波炉中的磁控管，
CRediT作者贡献声明
Weiwei Wang: 监督、概念构思。 Qiang Han: 编写初稿、验证、方法论。 Peng Si: 调查、正式分析。 Yichen Wang: 数据整理。 Xinshuo Yang: 可视化。 Peng Yang: 编写、审稿与编辑、监督、方法论。 Yingwen Liu: 编写、审稿与编辑、监督、资源管理。
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能会影响本文所述的工作。
致谢
本工作得到了国家自然科学基金（编号52506029和52276019）的支持。
Weiwei Wang|Qiang Han|Peng Si|Yichen Wang|Xinshuo Yang|Peng Yang|Yingwen Liu
