振荡旋转扭曲管传热增强研究

《International Communications in Heat and Mass Transfer》：On heat transfer enhancement by oscillatory rotating twisted tubes

　　

• 旋转振荡扭曲管强化传热
• CFD 中的局部动态网格移动和细化技术
• 与直管相比，性能评价指标提高（PEC = 1.27），直管 PEC = 1
• 更高的振荡频率可增强整体传热并缩短入口段长度

## 引言

在现代热管理系统中，如电子冷却、航天热控、先进反应堆和紧凑式换热器，在有限的体积和泵功下实现高传热性能变得越来越重要[1]、[2]、[3]。通常，传热强化技术可分为两大类：主动强化系统和被动强化系统。

被动强化系统无需外部动力即可增强传热。它们通常涉及对换热器表面的改造、安装改变流动的结构，或在流体中加入不同材料，如扭曲管、肋片通道、螺旋插入件和涡流发生器[4]，已被广泛应用于增强对流传热[5]、[6]。这些被动器件通过产生局部二次流和破坏热边界层来增强传热。

根据Sheikhi Azizi等人[7]的综合综述，静止扭曲管等被动强化系统有潜力通过增大有效换热面积、促进流体混合和强化湍流来进一步增强传热，从而提高换热器效率。Ghazanfari等人[8]通过数值分析表明，扭曲管优于圆形管，在较低雷诺数下性能评价指标（PEC）提高20%–33%。Liu等人[9]开发了一种新型扭曲椭圆管中冷器，并通过实验验证了其性能。新设计使冷却能力提升13.2%，总传热系数提高87.8%，同时换热面积和气体侧压降分别降低37.4%和36.9%。除扭曲管外，其他被动强化结构如肋片通道、螺旋插入件和涡流发生器也展现了较强的传热强化能力。肋片通道通过诱导流动分离和再附着来改善热性能，反复破坏热边界层并增大局部湍流强度[10]、[11]、[12]。螺旋插入件引入旋流运动，促进径向混合并加速管壁处的对流传质[13]、[14]、[15]。流致振动（FIV）也可显著增强传热，即流体-结构相互作用（FSI）触发传热面的自主振荡。Ji等人[16]采用双向FSI数值方法分析了改性弹性管束的热性能。结果表明，振荡幅度和传热系数均随入口速度的增加而逐步增大。此外，Zhang等人[17]研究了不同攻角（Φ）下翅片钝体柱的FIV传热强化。研究发现，将Φ从0°增加到180°可增大振动位移并改变壁面附近的流速场，从而促进局部流动分离、再附着和涡脱落。产生的涡与壁面的相互作用增强了核心流与壁面附近流体之间的横向混合，周期性地扰动并重新发展热边界层。因此，壁面法向温度梯度增大，导致对流传热增强。类似地，涡流发生器——如小翼片或小凸起——产生纵向涡，增强核心流与近壁区域之间的动量交换，从而提高努塞尔数[18]、[19]、[20]。尽管被动强化技术因其简单性而被广泛采用，但它们往往达到性能平台，缺乏针对不同工况的适应性。为克服这些局限性，主动强化传热方法日益受到关注。

主动强化传热技术通过施加外部动力破坏边界层、诱导湍流或增强流体混合来显著提高传热系数。虽然通常比被动强化技术成本更高、实施更复杂，但它们具有对热过程进行实时控制的独特优势。根据其工作机制，主动强化技术主要分为机械辅助、振动和脉冲技术以及电磁场强化[21]。旋转通道中的热对流已被广泛研究，以了解体积力对传热的影响。Morris和Rahmat-Abadi[22]通过实验证明，在正交旋转条件下，科里奥利力引起的二次流显著增强了尾缘相对于前缘的传热。在此基础上，Wright等人[23]进一步探索了带内部肋片的旋转矩形通道的流热特性。他们的发现表明，W形和离散W形肋片在静止和旋转条件下均提供优异的热性能。其他一些研究[24]、[25]、[26]也探索了通道旋转对传热性能和压降的影响。研究结果表明，旋转能有效增强传热，且强化程度对旋转速度高度敏感。除机械辅助外，振动和脉冲技术是另一类主动方法，利用振荡流体运动破坏热边界层。Khosravi-Bizhaem等人[27]通过实验研究了螺旋线圈中采用脉冲流作为主动强化技术时的对流传热和压降。结果表明，与稳态流相比，脉冲流使压降增加约3%–7%，同时显著提高了传热效率，最高可达39%，在较低雷诺数下性能尤为突出。电磁场强化是另一种强效主动策略，利用电场或磁场诱导流体运动并扰动边界层，从而增强传热。近期研究[28]、[29]、[30]已证明该方法在显著提升热性能方面具有巨大潜力。然而，设计的精确性至关重要，因为通道几何形状和导线位置对性能结果影响深远。此外，对铁磁流体或导电介质的需求带来了实际约束，限制了其在某些工业领域的应用[31]。

如上所述，扭曲管是一种广泛使用的传热强化技术，属于被动强化方法。Mo等人[32]和Guo与Wang[33]的研究表明，扭曲管由于二次流效应，可与直管相比实现显著的性能提升。Wang等人[34]报告称，扭曲管的努塞尔数比光滑管提高19%到31%，而流阻增加24%到38%。为进一步改善其性能，一些研究人员研究了几何参数和优化的影响。Tan等人[35]研究了扭曲椭圆管的纵横比和扭曲节距长度对湍流水流传热和压降的影响。结果表明，扭曲椭圆管内二次流强度随纵横比增大和扭曲节距长度减小而增强。Azizi等人[36]通过结合计算流体力学、人工神经网络和单目标遗传算法研究了扭曲管套管换热器。优化了内外扭曲比和扭曲方向，最终将扭曲管换热器的PEC提高了16.35%。

然而，大多数现有扭曲管具有固定几何形状，这限制了流动模式的演化，进而限制了其进一步传热强化的潜力。因此，与先前的研究相比，本文提出了一种基于主动强化策略的动态扭曲管传热强化方法。该方法引入时变壁面变形来扰动近壁流动并持续促进流体混合。系统地研究了扭曲频率和扭曲幅度等动态参数对流动和传热特性的影响。研究结果有望为动态壁面变形强化对流传热提供新的理解，并为紧凑高效换热器的设计提供潜在途径。

本文其余部分组织如下。第2节介绍物理模型，包括几何构型、控制方程和控制扭曲运动的动态网格表述。第3节呈现数值模型的验证，包括网格无关性测试和模型验证。第4节提供结果与讨论。最后在第5节总结结论与展望。

### 2 物理模型

弹性变形扭曲管的物理模型如图1所示。方形管的主要尺寸为长度L，方形截面的边长为a。设置了均匀的圆柱形入口和出口延伸段以确保充分发展的流动和稳定的边界条件。入口处规定恒定的速度U_in和温度T_in，出口处维持相对压力p_out = 0。主管壁温固定为T_w。

### 3 CFD模型的验证

为验证数值CFD模型的可靠性，将高纵横比矩形通道的数值结果与Stephan关联式进行了比较，该关联式最初在文献[39]中提出，适用于常壁温条件下光滑通道内热发展区层流的传热。

该验证通过计算局部努塞尔数（Nu_y）作为无量纲热入口长度（y*）的函数来实现。局部努塞尔数表示为：

### 4 扭曲变形对流体流动和传热特性的影响

为研究扭曲变形对流动和传热特性的影响，对直管和动态扭曲管进行了对比分析。在相同的边界条件下，考察了流体内部流动行为和温度分布。如图7所示，在四个代表性截面提取流体流动和热场，分别标记为y?、y?、y?和x?，对应Y = ?0.3m、Y = 0m、Y = 0.3m和X = 0。

### 5 结论与展望

本研究提出了一种增强对流传热的新动态扭曲方法。通过对管体引入时变几何扭曲变形，实现了流-结构耦合调控。利用任意拉格朗日-欧拉（ALE）框架，系统地研究了动态扭曲条件下的瞬态流动和传热特性。主要结论总结如下：

1. 动态扭曲变形显著改变了……

### CRediT作者贡献声明

Haoran Zhang：撰写——初稿、可视化、软件、方法、调查、形式分析、数据整理。

Guanghui Wang：撰写——审阅与编辑、监督、资源、方法、调查、资金管理。

Frédéric Roger：撰写——审阅与编辑、可视化、方法、调查。

Dingbiao Wang：撰写——审阅与编辑、监督、资源、方法、调查、资金管理。

Talib Dbouk：撰写——审阅与编辑、可视化。

### 利益冲突声明

作者声明不存在可能影响本文所报告工作的已知经济利益或个人关系。

### 致谢

作者感谢中国国家留学基金委员会（CSC）和法国CORIA实验室（CNRS UMR 6614，诺曼底鲁昂大学）。

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