一种具有射流冲击和泪滴形粗糙度的太阳能空气加热器的热特性实验研究

《Solar Energy》：Experimental investigation of the thermal characteristics of a solar air heater with jet impingement and teardrop-shaped roughness

　　

**主要结论**

- 室内实验研究了Re = 3000–14500范围内的泪滴形粗糙度喷射太阳能空气加热器。
- 泪滴形粗糙度的喷射冲击增强了湍流，并显著提高了热传递。
- Nu随Re增加而增大，而摩擦因子因混合增强和粘性底层变薄而降低。
- 在p/e = 14、e/Dh = 0.040、Vh/e = 6.01、l/r = 1.44条件下，最大Nu达到170，表现出优异的增强效果。
- 在p/e = 10和l/r = 1.56时分别观察到最高的摩擦因子值0.125和0.159。
- 将e/Dh从0.023增大到0.046持续改善了热力和水力特性。
- 在所研究的操作范围内，较高的Vh/e值产生了增强的热-水力性能。
- 计算流体力学（CFD）仿真验证了实验结果，并通过温度、流线和湍动能分布解释了热传递机理。
- 在p/e = 14、e/Dh = 0.040、Vh/e = 6.01、l/r = 1.44条件下，最大THPP达到2.25，表明为最优工况。

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**引言**

太阳能空气加热器（SAH）是将太阳辐射转化为有用热能的最简单、最经济的太阳能热技术之一。由于其设计简单、维护要求低且运行环保，SAH已被广泛应用于空间供暖、作物干燥、木材处理、食品加工及各种工业干燥应用。尽管如此，传统SAH的使用仍然受限，主要因为其热效率相对较低。这主要是因为在加热表面上形成层流热边界层，导致吸热板（AP）与流动空气之间的对流换热较低[1,2]。因此，研究人员提出了一系列热传递增强技术，以破坏边界层并促进吸热板附近的湍流。其中，人工粗糙度（AR）技术已被证明是最有效的被动增强方法之一。肋条、凹坑、凸起和其他表面几何形状形式的人工粗糙度可以破坏层流底层，促进流动分离和再附着，从而增强对流换热系数[3,4]。然而，随之而来的摩擦损失增加促使研究人员探索替代或互补的增强方法。最近，喷射冲击（JI）作为一种主动热传递增强技术，在SAH中受到了广泛关注。高速空气喷射冲击吸热板可以持续破坏热边界层，产生局部高强度传热区域[5]。

表1总结了以往关于粗糙表面SAH结合喷射冲击的研究。基于这些发现，选择了相关参数。表2总结了本研究所选参数的范围和价值。

在这些发展的基础上，最近的研究越来越关注将喷射冲击与人工粗糙度相结合，以利用两种技术之间的协同相互作用。冲击射流持续更新边界层，而粗糙度元件在下游维持湍流并增强流体混合，从而获得优于单独使用任一技术的THPP。

以下是关于AP上粗糙度图案应用以及喷射冲击方法的相关文献综述：

- **[19]** 在湍流条件下（Re = 10,000–50,000）数值研究了冲击射流冷却和纵向翅片对太阳能空气加热器性能的影响。研究发现增加雷诺数和翅片高度可以增强热传递和热效率。冲击射流和翅片的组合使用使热效率提高了最多23.35%，对流换热提高了最多15%。
- **[20]** 使用RNG k-ε湍流模型数值研究了延长喷孔（EJH）设计对太阳能空气加热器性能的影响。分析了不同EJH配置的热传递增强效果。结果表明，等长延伸的EJH提供了最佳性能，使努塞尔数提高了31.8%，热效率提高了2.46%。
- **[21]** 进行了三维数值研究，评估了一种基于Manzanares中试站的新型带翅片集热器在太阳能烟囱电厂中的性能。对翅片数量、宽度和高度进行了参数分析。结果表明，46片翅片（宽度0.1 m，高度1.2 m）实现了最佳性能，产生700.6 kW的功率和1.674%的电厂效率。
- **[22]** 研究了SAH中翅片阵列与喷射冲击相结合对换热的影响，重点关注纵向节距比、射流直径比和翅片间距比的影响。在较高Re下（Re = 11,700），该系统的换热能力是传统平板管道的2.5倍。通过推导Nu关联式展示了几何和运行特性对性能的影响。
- **[23]** 研究了具有冲击射流和凸弧形障碍物的SAH性能，其传热和摩擦的数值均可得到改善。在Re = 5000–19,000范围内，在特定几何条件下可获得最优性能。建立了Nu和f的关联式，变异的最低均方根误差分别为±9%和±11%。
- **[24]** 研究了一种喷射太阳能空气加热器，发现与平行流动相比，f增加了高达3.5倍，Nu改善了约2.67倍。在3800 < Re < 16,000范围内，针对不同射流直径和节距参数，生成了Nu和f关于Re的关联式。
- **[25]** 研究了一种具有单弧形肋条的SAH，展示了人工粗糙度和冲击射流对THPP的协同效应。最优几何参数给出了最高的PF（等于1.5），并采用ANN建模准确预测和优化了所得结果。
- **[26]** 研究了锥形环形障碍物在矩形SAH管道中的应用，湍流工况（Re = 5000–23000）和均匀热通量条件下。在特定几何比例下找到了最佳HT，并建立了Nu和f之间的经验关联式。
- **[7]** 研究了使用交错排列V形肋条粗糙度的双通道SAH，显示出传热方面的显著改善。在理想粗糙度条件下，Nu增加了4.52倍，而f相对于光滑管道增加了3.13倍。此外，还开发了经验关联式。
- **[27]** 强调了SAH（Re 3000–19,000）中喷射冲击和多弧形肋条粗糙度的共同影响。最大热-水力性能达到4.1，与光滑管道相比Nu和f有显著增加，并确定了Nu和f之间的关联式。
- **[9]** 分析了具有弧形顶点上游流动和圆形丝线粗糙度的SAH。通过改变入射角、粗糙度高度比和节距实现了显著的换热改善。最高的努塞尔和摩擦增强比分别为2.83和1.79，与光滑管道相比THPP提高了157.49%。此外，还开发了经验关联式。
- **[28]** 探讨了人工粗糙化SAH管道的传热性能和流动阻力特征，展示了相对于光滑管道的显著改善，确定了最佳粗糙度条件，使Nu和f获得最高提升，并创建了经验关联式来预测性能。
- **[29]** 实验研究了菱形粗糙度元件对SAH中换热和流动阻力的影响。粗糙度特征打断了层流底层，增强了湍流，从而显著改善了热性能。与平板相比，Nu增加了258–378%，f增加了148–215%。在最佳粗糙度条件下发生最大换热，建立的关联式预测Nu和f的偏差分别为±12%和±10%。
- **[30]** 评估了在宽雷诺数范围内带有间隙弧形粗糙度的矩形管道的换热和摩擦特性。与均匀管道相比，Nu最多增加了5.85倍，f最多增加了4.96倍。实验结果得出了Nu和f的经验关联式。
- **[17]** 本研究探讨了如何在计算和实验两方面分析SAH-SIJ的热性能增强。吸热板上浸没管射流产生的较高冲击速度和显著湍流导致了热量的增加去除。研究了射流角度（α）在75°至90°之间和射流间距比（Sj/h）在0.108至0.433之间。结果表明，SAH-SIJ结构在摩擦特性和Nu方面明显优于均匀管道和/或孔口射流布置。
- **[31]** 研究了锥形冲击空气射流和正弦波纹如何改善SAH中的换热。实验和CFD结果表明与平坦管道相比有显著改善。Nu增加了最多6.71倍，而f达到了最多13.87倍的最大提升。在较低Re下观察到最终THPP为2.79。
- **[32]** 使用三种不同尺寸的金属丝网（0.5×0.5、1.5×1.5和3×3英寸）改善了IJSAH的传热性能。Re范围为4900至13100，射流直径（Dj）为3 mm和6 mm。在Re = 13,103时，示例2产生最低的f（0.0314），而案例3具有最高的Nu（109.86）。当Dj = 6 mm时，案例4的ηeff为0.53695，最大THPP为1.78。Dj = 6 mm和1.5×1.5英寸金属丝网产生了最佳结果。
- **[11]** 实验研究了粗糙凹坑对喷射冲击SAH对流换热的影响，Re范围为3000–21,000。在凹坑型粗糙度存在下，Nu随Re增加。在理想粗糙度条件下，THPP达到最大值2.15。
- **[33]** 研究了射流设计和AP分离距离对太阳能空气集热器性能的影响。与方形和三角形射流配置相比，圆形射流使Nu分别增加了11.641%和18.941%。在较小的板间距下实现了最大可用热量增益，THPP = 1.04。
- **[13]** 研究人员使用RSM设计了双侧曲率横向肋条粗糙化的SAH。通过基于ANOVA的实验设计和数值模拟发现了最优设置。在最优条件下，最大Nu达到123.84，同时f低至0.012，从而在提高传热的同时减少摩擦损失。
- **[34]** 他们在户外条件下实验研究了单通道、单层玻璃SAH的效率，测试了五种不同的AP，采用不同的Pt/Pl值（1.0、1.1、1.251、1.67），以及?a = 0.01–0.051 kg/s（Re = 1971.66–10466.45），用于测试FPSAH和交错凹坑压印SAH（SDPSAH）。SDPSAH在Pt/Pl = 1.25时观察到最大空气温差、Nu和效率。SDPSAH（Pt/Pl = 1.25）比FPSAH高出1.44–1.88倍。提出了Nu和f的关联式。
- **[35]** 使用PSI方法，研究人员研究了几何和流动参数对冲击射流STC的影响。在Re为16,000和适当射流直径与节距比时获得最优性能。结果表明，冲击射流显著改善了HT，但摩擦损失较高。
- **[36]** 他们研究了当使用冲击空气射流时空气质量流量对向上SAH热性能的影响。测试了射流直径为4、6、8 mm，空气质量流量为0.008–0.024 kg/s。根据结果，对于6 mm射流直径在1000 W/m2下，第一定律效率在44%至88%之间变化。与基准SAHRR模型相比，喷射冲击的Nu、热-水力效率和?效率均显著提高。
- **[37]** 研究了一种使用锥形环进行翅片人工粗糙度和喷射冲击的平板SAH。在Re = 10,850时，分别达到了81.40%和77.40%的ηt和ηth极限。与传统设计相比，系统的热-水力性能提高了最多15.1%。
- **[38]** 对SAH中重新设计的V波纹吸热板进行了实验测试。更新的设计比标准型提高了最多14.5%的热效率，在较高质量流量下达到82.3%的最大效率。它还定期产生更高的输出温度，表明换热能力改善。
- **[39]** 研究了在靶板上具有不同双弧形粗糙度的SAH。与均匀管道相比，Nu增加了217%，f增加了207%。峰值THP达到2.82。
- **[40]** 实验研究了SAH中菱形有意粗糙化靶板的影响，Re从2000到14000不等。在理想粗糙度设置下，达到79.48%的最大热效率，这比光滑板提高了1.42–1.63倍。确定集热器参数F0UL和FRτα分别为15.82和0.8612。
- **[41]** 数值研究了层流条件下使用Fe3O4/水纳米流体的圆形、方形和六边形翅片热沉的THPP。

方形翅片表现出最佳性能，使努塞尔数提高了18.41%，并使熵生成减少了7.71%[42]。通过改变射流至表面的距离、射流角度和狭缝射流长宽比，对NACA0015机翼的防冰效果进行了数值研究。使用ANSYS Fluent和SST k-ω模型，他们发现长宽比AR = 4的狭缝射流使努塞尔数提高了85.52%，并实现了1.14的PEC值，尽管压降显著增加[43]。通过改变粗糙度参数和雷诺数，研究了带有半胶囊状凸起的太阳能空气加热器的热流体力学性能。最大努塞尔数为182.62，提供了3.14倍的增强效果，而THPi达到了2.06。在各种优化方法中，WOA在单目标和多目标优化中表现最佳[44]。使用三维CFD和RNG湍流模型对太阳能空气加热器中的凸出凸起进行了数值研究。该设计的热增强效果比传统SAH高出218.28%，摩擦高出268%，最大综合增强效果为2.59。热性能比凹坑粗糙度高36%，而所建立的关联式预测结果的误差在5%以内。

综合文献综述表明，人们已做出了相当多的努力，通过人工粗糙度和射流冲击技术来提高太阳能空气加热器的热流体力学性能。各种粗糙度几何形状，包括V形肋片、W形肋片、S形肋片、凹坑、球形和凸出凸起、离散障碍物以及其他表面改性，已被研究用于通过扰乱热边界层来增强对流换热。这些几何形状显著改善了换热，但也产生了更强的流动分离、回流和压力损失，从而降低了整体的热流体力学性能。因此，引入射流冲击以通过持续更新热边界层来强化局部换热。这促使研究人员将射流冲击与人工粗糙度相结合，以利用两种强化技术各自的优势。然而，大多数已报告的研究都集中在传统粗糙度几何形状上，而具有流线型粗糙度轮廓、能够以相对较低的水力损失改善换热的几何形状在很大程度上仍未被探索。

即使考虑最新的文献，这一观察结果依然成立。2023年至2026年间发表的近期研究通过几种不同的策略推进了太阳能空气加热器的性能，包括细长射流孔设计、翅片集热器、锥形环障碍物、弧形和多弧肋片、凹坑几何形状、半胶囊状凸起和凸出凸起，每项研究都报告了努塞尔数和热流体力学性能方面的显著收益。然而，在这些研究的每一项中，粗糙度元素仍保持钝体或离散障碍物的截面形状，与之相关的换热改善通常伴随着可观的摩擦惩罚。没有一项近期研究考察了流线型空气动力学轮廓粗糙度几何形状与射流冲击的组合。这一持续存在的空白，既涵盖了早期文献也涵盖了最新文献，凸显了研究流线型粗糙度几何形状与射流冲击组合的必要性，这也是本研究的出发点。

为解决所确定的研究空白，本研究在太阳能空气加热器中引入了一种泪滴形粗糙度几何形状与射流冲击的组合。与传统粗糙度几何形状（如肋片、凹坑、球形凸起和离散障碍物）不同，后者具有锐利边缘或钝体特征，容易产生较大的尾流区域和高压降，泪滴形几何形状提供了流线型空气动力学轮廓。预计该轮廓能够促进可控的流动分离和逐步再附着，维持近壁湍流，增强流体混合，同时抑制过度的尾流形成。这种流线型轮廓使泪滴形粗糙度能够实现比传统粗糙度几何形状更为有利的换热增强与摩擦损失之间的平衡。据作者所知，尚未有关于泪滴形粗糙度与射流冲击在太阳能空气加热器中联合应用的系统性室内实验研究报道。因此，本研究实验性地调查了雷诺数、（p/e）、（e/Dh）、（Vh/e）和（l/r）对所提议构型换热和摩擦特性的影响。与遵循人工粗糙度文献中既定惯例的节距比（p/e）和高度比（e/Dh）不同，宽度比（Vh/e）和伸长比（l/r）是本研究新定义的、专属于泪滴形轮廓的几何参数，用于表征粗糙度宽度和伸长对流动再附着、换热和热流体力学性能的影响。除实验研究外，还进行了CFD模拟，以提供关于泪滴形粗糙化太阳能空气加热器流体力学的额外见解。数值研究提供了流线模式、温度分布和TKE的定性可视化，有助于解释与泪滴形粗糙度几何形状相关的换热增强。本研究的特定目标如下：

• 设计、制造并实验验证在相同工况下的传统平板太阳能空气加热器和射流冲击太阳能空气加热器（JISAH）。
• 开发一种新型的泪滴形粗糙化射流冲击太阳能空气加热器（ARJISAH）。
• 研究雷诺数（3000–14500）、（p/e）、（e/Dh）、（Vh/e）和（l/r）对努塞尔数和摩擦因数的影响。
• 在研究的参数范围内，基于热流体力学性能确定最佳粗糙度构型。

**室内实验装置**

平面和粗糙化板均使用在曼尼普尔邦理工学院机械工程系热工实验室专门设计和制造的实验台架进行实验研究。JI板放置在AP和最底层的板之间。实验装置的整体布局及其组件的照片分别如图1和图2所示。管道的侧面示意图如图3所示。图4和图5展示了照片视图。

**计算域**

使用ANSYS Design Modeller 2024 R2建立了带有泪滴形粗糙度元素的SAH管道三维模型。几何体使用与实验测试段相同的尺寸创建，以确保数值研究和实验研究之间的一致性。数值模型仅包含泪滴形粗糙化的AP，以便研究粗糙度几何形状相关的流动行为和传热机制。

**平均空气和吸热表面温度**

Tf = (Ti + To) / 2；Tp是分布在AP上十五个测量点位置的温度的加权平均值。

**空气速度**

空气速度使用以下关系式评估：
V = ? / (ρ × W × H)

**质量流量测定（?）**
? = Cd × Ao × (2ρΔPo / (1 - β?))?·?

**水力直径**
Dh = 4 × W × H / (2 × W + H)

**雷诺数（Re）**
Re = V × Dh / ν

**摩擦因数（f）**
f = 2Δpd × d / (4ρLfV2)

其中 Δpd = Δhd × 9.8 × ρm
Δhd = 水银计读数，mm。
ρm = 指示液密度，kg/m3。

**有用热量增益**

空气获得的有用热量能量（Qu）为……

**CFD模型的实验验证**

为验证粗糙化构型，首先对光滑吸热板进行了研究。实验Nu值与Dittus–Boelter关联式的计算值进行了比较，实验f值也与修正的Blasius关联式的计算值进行了比较。相同的光滑管道也在相同边界条件下进行了数值分析，用于CFD模型。然后将CFD预测结果与实验测量值和经验公式进行比较。

**结果与讨论**
6.1 换热和压降机理；6.2 粗糙度构型的影响（p/e, e/D）；6.3 几何粗糙度参数的影响（p/e, e/D）；6.4 热流体力学性能分析。本节呈现了所提议的ARJISAH在射流冲击和泪滴形粗糙度共同作用下的实验测量的换热和摩擦特性。实验结果主要以努塞尔数（Nu）和摩擦因数（f）来评估，并且……

**经济分析**

进行了全面的经济评估，以估计使用所提议的SAH生产1 kg热空气的成本。分析考虑了系统使用寿命内的初始投资和年度运营费用。总成本估算纳入了资本回收系数（CRF）、偿债基金系数（SFF）、年度残值（ASV）和年度维护运营成本（AMC），以确保经济可行性评估的合理性。

**结论**

本研究通过实验和数值方法，在雷诺数3000–14500的范围内，调查了一种新型的人工粗糙化射流冲击太阳能空气加热器（ARJISAH），将射流冲击与全新提出的流线型泪滴形粗糙度几何形状相结合。p/e、e/Dh以及两个专属于泪滴形轮廓新定义的几何参数——相对粗糙度宽度比（Vh/e）和伸长比（l/r）——对换热、摩擦和……的影响。

**范围与未来研究**
• 开发和验证适用于更广泛Re和粗糙度参数范围的Nu和f稳健经验关联式，以促进实际ARJISAH系统的设计和性能预测。
• 在实际太阳能工作条件下进行室外实验研究，评估所提议的ARJISAH的实际性能。
• 研究所提议系统在建筑集成和空间供暖应用中的适用性。

**利益冲突声明**

作者声明他们没有已知的财务利益或可能影响本论文所述工作的个人关系。

Brijendra Kumar Yadav | Jiwan Lal Bhagoria