強(qiáng)化單相對流換熱技術(shù)研究進(jìn)展＊

楊雨卓，徐子帥，彭逸佳，周曉斌

（武漢理工大學(xué)汽車工程學(xué)院，湖北 武漢 430022）

能源是一個工業(yè)國家立足之根本，是電子通信、汽車工業(yè)、航空航天以及國防軍工等關(guān)鍵技術(shù)發(fā)展的先導(dǎo)條件。近年來，隨著中國側(cè)供給結(jié)構(gòu)性改革的大力推行，對國內(nèi)先進(jìn)制造企業(yè)提出更為嚴(yán)苛的排放標(biāo)準(zhǔn)，通過節(jié)能減排技術(shù)實現(xiàn)能源的高效利用是能源領(lǐng)域的發(fā)展趨勢[1]。目前國內(nèi)外圍繞高品位能的回收進(jìn)行了大量研究并取得理想的成效，但是關(guān)于低品位熱能的余熱利用技術(shù)并未實現(xiàn)較大的突破，高溫?zé)煔?、水蒸氣等工業(yè)廢氣內(nèi)含有大量的未充分利用的余熱，既損耗了能量也給環(huán)境保護(hù)帶來壓力，成為現(xiàn)今亟待解決的技術(shù)難題，因此迫切需要找到高效提高熱量傳遞效率的技術(shù)方案。其中對流傳熱是工程技術(shù)以及自然社會中起最重要作用的熱量交換方式，流動介質(zhì)以及換熱固體物性等差異使得對流換熱強(qiáng)度與效率千變?nèi)f化，運(yùn)用強(qiáng)化對流換熱技術(shù)可實現(xiàn)大工業(yè)廢熱回收、動力電池余熱再利用、提升電子系統(tǒng)冷卻和各類換熱器等過程的熱效率，因此必須十分重視強(qiáng)化對流換熱技術(shù)在節(jié)能減排中的作用[2]。

本文通過收集已形成的強(qiáng)化對流換熱技術(shù)案例，系統(tǒng)闡述對流換熱現(xiàn)象及其數(shù)學(xué)描述方式，重點分析了近年強(qiáng)化對流換熱主流技術(shù)的原理與研究進(jìn)展，最后就強(qiáng)化對流技術(shù)在未來發(fā)展過程中所面臨的機(jī)遇和挑戰(zhàn)進(jìn)行展望與總結(jié)，有望為新型高強(qiáng)對流換熱技術(shù)的開發(fā)提供新思路。

1 對流換熱現(xiàn)象概述

1.1 對流換熱定義

對流換熱是指流體宏觀運(yùn)動流經(jīng)固體壁面而發(fā)生的熱量轉(zhuǎn)移現(xiàn)象。對流換熱中既包括因流體運(yùn)動導(dǎo)致流體內(nèi)部的發(fā)生位移，冷、熱流相互參雜所傳遞的熱對流現(xiàn)象；還包括流體與固體壁面內(nèi)部分子、原子、自由電子之間的熱運(yùn)動的熱傳導(dǎo)現(xiàn)象，如圖1所示，左側(cè)箭頭表示流體流動方向。

圖1 對流換熱過程熱量傳遞機(jī)理

關(guān)于對流換熱量的計算公式如下：

受粘滯應(yīng)力作用，附著在壁面的極薄層流速可忽略不計，由傅里葉導(dǎo)熱定理得：

壁面薄層內(nèi)運(yùn)用能量守恒，得到對流換熱表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)的定義式如下：

式（3）中：Δt為壁面和流體間的溫度差，規(guī)定取正；λ為流體的導(dǎo)熱系數(shù)。

1.2 二維-穩(wěn)態(tài)對流換熱過程完整數(shù)學(xué)描寫

流體被認(rèn)為是不可壓縮的牛頓流體，具有不變的性質(zhì)。對于一般流場，為了便于實際描述則認(rèn)為其由二穩(wěn)態(tài)連續(xù)性和動量方程控制，數(shù)學(xué)描寫如下。

流體質(zhì)量守恒：

式（4）中：u為主流方向速度；v為垂直于主流方向速度。

流體主流方向動量守恒：

式（5）（6）中：ρ為流體密度；t為時間；Fx為主流方向的質(zhì)量力；η為流體的動力粘度。

流動能量守恒：

式（7）中：Cp為流體的定壓比熱容；λ為流體導(dǎo)熱系數(shù)。

上述4個控制方程構(gòu)成了對流換熱問題的完整微分方程組，深刻地揭示了對流換熱過程中與相關(guān)物理量之間的關(guān)系。但得到某一特定對流換熱現(xiàn)象的表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)，還應(yīng)該對定解條件作出規(guī)定，即需要獲得某特定工況下的邊界條件（如壁面溫度、壁面熱流密度等）。通常采用數(shù)量級原則來簡化對流換熱問題的數(shù)學(xué)表達(dá)。

2 強(qiáng)化對流換熱技術(shù)綜合分析

2.1 強(qiáng)化對流換熱總體設(shè)計目標(biāo)

從上述對流換熱現(xiàn)象的理論描述可知，強(qiáng)化對流換熱的核心在于提升表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)，一般有如下3個方式。

改變流動雷諾數(shù)：雷諾數(shù)（Re）是描述流體流動的無量綱數(shù)，數(shù)值大小反映了流體介質(zhì)所受慣性力與換熱壁面的粘滯應(yīng)力之比的相對大小。迄今為止，大量實驗經(jīng)驗表明雷諾數(shù)與反映表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)的努塞爾數(shù)大小呈正相關(guān)趨勢；雷諾數(shù)數(shù)值正比于流動速度，反比于流體運(yùn)動粘度，因此相同情況下水的換熱性能遠(yuǎn)強(qiáng)于空氣。

減薄熱邊界層厚度：根據(jù)對流換熱傳熱機(jī)理可知，在換熱壁表面始終存在一個溫度梯度很大的“極薄流體層”。若流動邊界層變薄勢必導(dǎo)致熱邊界層內(nèi)溫度變化更加劇烈，從而增大溫度梯度，從本質(zhì)上提高表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)改善對流換熱效率。

增加流體中的擾動：流體流動按流態(tài)可分為層流和湍流2類。前者在內(nèi)部流體粘性切應(yīng)力的作用下沿主流方向運(yùn)動規(guī)律，法相速度為主流速度的相當(dāng)小量，可忽略不計，因此流體各層流主動互不干擾，進(jìn)行以熱導(dǎo)熱為的換熱；后者則在流體間法相擾動劇烈，冷、熱部分相互參雜，換熱量相較前者有大幅提升。

2.2 壓電風(fēng)扇激勵強(qiáng)化技術(shù)

近年來隨著電子通信的飛速發(fā)展，集成電路系統(tǒng)中熱通量的快速增長成為限制芯片功率提升的技術(shù)難題，因此，改善電子系統(tǒng)對流傳熱性能成為亟待解決的問題。然而，傳統(tǒng)的自然對流和強(qiáng)制對流冷卻方法的有效性通常受到空間與噪聲的限制。壓電風(fēng)扇憑借其高可靠性、低噪聲、低功耗和滿足空間占比要求等獨特特性而受到廣泛關(guān)注[3]。壓電風(fēng)扇是由壓電層和柔性葉片組成?；趬弘姴牧系摹澳鎵弘娦?yīng)”可將電能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能的特性，通過控制施加在壓電材料上的交流電壓，實現(xiàn)壓電層周期性地膨脹和收縮，從而引起柔性葉片的振動，逆壓電效應(yīng)機(jī)理如圖2所示。

圖2 逆壓電效應(yīng)機(jī)理示意圖[3]

上述柔性葉片產(chǎn)生的振動將會傳遞給周圍流體，對流體流動產(chǎn)生顯著的擾動引起周圍流體產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)和渦流，反復(fù)破壞內(nèi)部熱邊界層；與此同時在風(fēng)扇振動頭部附件流體將形成“偽射流”，進(jìn)一步提高表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)。

壓電風(fēng)扇通常垂直布置，與橫流相互作用，旨在大幅增強(qiáng)受熱表面的傳熱性能，但是需要提供額外的安裝空間，這顯然與其使用初衷相違背并限制其應(yīng)用。QIU等[4]提出一種水平布置方式，用于安裝與通道中橫流相互作用的壓電風(fēng)扇，并沿流動方向在不同振幅和流速下測試和研究了局部加熱通道中壓電風(fēng)扇與橫流相互作用引起的局部傳熱強(qiáng)化。實驗結(jié)果表明，強(qiáng)化傳熱來自于壓電風(fēng)扇產(chǎn)生的強(qiáng)縱向渦對，顯著促進(jìn)了主流和近壁流之間的換熱；在a=0.66（a為無量綱振幅）和Re=1 820的情況下，平均努塞爾數(shù)的增強(qiáng)率可達(dá)到119.9%，水平布置也具有理想的換熱性能。

2.3 納米流體強(qiáng)化技術(shù)

納米流體強(qiáng)化法通過在常規(guī)流體介質(zhì)（水、油、醇）中加入少量的納米級別的金屬或非金屬顆粒來制備成為一種新型高導(dǎo)熱系數(shù)、穩(wěn)定的納米流體。與常規(guī)的流體介質(zhì)分子相比，納米級別的顆粒則顯得十分微小，在自身熱運(yùn)動以及流體分子力的作用下保持平衡呈懸浮狀態(tài)[5]。研究表明，納米顆粒具備極其優(yōu)異的導(dǎo)熱性能，并在流動的過程中與流體分子之間發(fā)生劇烈的碰撞，即動量交換。FARD等[6]發(fā)現(xiàn)納米流體更易形成湍流對壁面的擾動更為強(qiáng)烈，熱對流傳熱量更高；與此同時自身較高的導(dǎo)熱系數(shù)顯著提升了垂直于壁面方向的熱傳導(dǎo)，對流換熱效率總體提高近15%左右。楊曦等[7]對13種不同徑粒、體積分?jǐn)?shù)的納米流體進(jìn)行換熱模擬，結(jié)果表明，納米流體的強(qiáng)化換熱性能與納米顆粒的大小、顆粒的體積分?jǐn)?shù)成正比。

空調(diào)制冷系統(tǒng)中的氣體冷卻套筒是納米流體應(yīng)用的經(jīng)典案例之一。劉業(yè)鳳等[8]基于納米流體強(qiáng)化對流換熱原理，將納米流體作為換熱介質(zhì)運(yùn)用于CO2制冷循環(huán)中的氣體冷卻套筒中。如圖3所示，待冷卻的CO2氣體從套筒的上部流過，納米流體從中部流過，二者通過壁面的對流傳熱實現(xiàn)熱量交換。不同種類的納米流體模擬計算結(jié)果表明“石墨-H2O”納米流體的換熱效果最佳；對流換熱量隨著納米顆粒的體積分?jǐn)?shù)的增大整體呈上升趨勢，但增大速度會逐漸減小。

圖3 CO2氣體冷卻套筒示意圖[8]（單位：mm）

2.4 換熱面振動強(qiáng)化技術(shù)

剛性換熱面振動法強(qiáng)化對流換熱的核心機(jī)制在于，壁面法相振動會賦予流體一個周期變化的法相速度，引起流體內(nèi)部速度場產(chǎn)生大幅波動，進(jìn)而使流體流動的雷諾數(shù)Re增大，從而改變流體在壁面的流態(tài)。根據(jù)單相對流換熱的特征數(shù)方程可知，雷諾數(shù)Re的數(shù)值直接決定了對流換熱的努塞爾數(shù)，即表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)。值得注意的是，換熱壁面的高頻振動在一定程度上提升了對流換熱效率，但同時也對設(shè)備工作穩(wěn)定性造成不可忽略的破壞。因此該方法更適用在一些對機(jī)械設(shè)備穩(wěn)定性要求不高的工業(yè)設(shè)備以及精確分析由裝置本身振動引起的對流換熱量。

計算機(jī)仿真技術(shù)的不斷發(fā)展對強(qiáng)化對流換熱技術(shù)起到積極的輔助作用。孫征等[9]運(yùn)用Fluent軟件，分析了法向振動參數(shù)對汽車換熱圓管內(nèi)部對流換熱的影響。模擬結(jié)果表明，振動可顯著強(qiáng)化圓管的對流換熱效率，在雷諾數(shù)Re=1 988的工況下，最高換熱強(qiáng)度提升近600%；對熱換熱強(qiáng)化效果隨著振動的幅度和頻率的升高而更加明顯，推測這與換熱面熱邊界層溫度梯度的變化有關(guān)。鄔曉俊等[10]在對流換熱理論微分方程的理論推導(dǎo)的基礎(chǔ)上，在簡諧運(yùn)動的非慣性坐標(biāo)系下模擬壁面振動過程。模擬結(jié)果表明，低頻振動對層流的對流換熱強(qiáng)度效果不明顯；當(dāng)振動幅度超過某一閾值時，對流換特強(qiáng)度得以顯著提升，這與流體流態(tài)從層流邁向湍流、流體內(nèi)部擾動變得劇烈有關(guān)，此時流動阻力也會同步增長。

流體對振動壁面的親和程度會直接影響最終強(qiáng)化換熱效果。楊立等[11]發(fā)現(xiàn)振動平板上液膜的表面張力和液膜壁面接觸角θ均會影響降膜蒸發(fā)換熱效率。實驗結(jié)果表明，對于液體換熱介質(zhì)而言，只有同時改變換熱面的振幅和頻率才會使對流換熱強(qiáng)度發(fā)生顯著變化；在頻率為50 Hz，A為2.0 mm時的振動參數(shù)下，對流換熱強(qiáng)度較不作任何處理時能提高27%。

2.5 插入擾流強(qiáng)化技術(shù)

插入擾流法是工程領(lǐng)域普遍使用的對流換熱強(qiáng)化方式，最常應(yīng)用于大型換熱管內(nèi)壁和換熱平板外壁。附著在換熱界面的小型凸出擾流肋片，可在消耗較少的材料、增加較少的條件下大幅提升對流換熱的“有效面積”；與此同時，凸出的擾流元件會伸入到流動邊界層，增大流動阻力并對壁面附件流體產(chǎn)生分流和旋轉(zhuǎn)作用，致使管內(nèi)或壁面始終保持一個較薄水平的流動邊界層，提高表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)，進(jìn)一步強(qiáng)化對流換熱強(qiáng)度。

插入擾流法在平板換熱壁中有助于形成局部湍流。JAIN等[12]在太陽能空氣加熱器壁面加裝多間隙擾流弧形肋片，旨在阻斷邊界層的生長，從而增強(qiáng)傳熱，如圖4所示。在恒定熱流為1 000 W/m2時，雷諾數(shù)Re從3 000～18 000之間進(jìn)行了實驗，并與相似條件下的光滑管道進(jìn)行了對比。實驗結(jié)果表明，插入擾流強(qiáng)化法處理的太陽能空氣加熱器換熱壁面的傳熱和壓降分別比光滑的壁面高近274%和169%。

圖4 太陽能空氣加熱器壁面流動模式[13]

插入擾流法在圓管小雷諾數(shù)流動中仍表現(xiàn)出較理想的強(qiáng)化換熱效果。丁少偉等[13]開發(fā)出一種波形擾流肋片，并將其應(yīng)用于高溫?zé)煔獾睦鋮s管道中分析波形擾流肋片在煙氣等小雷諾數(shù)Re流動中的強(qiáng)化對流換熱效果。對比實驗表明，采用肋片組流體的溫度均得到不同程度的下降，換熱強(qiáng)度與雷諾數(shù)的變化呈正相關(guān)趨勢。

擾流元件的形狀是影響插入擾流強(qiáng)化換熱的重要因素。姬長發(fā)等[14]設(shè)計了一種具備“蛇形”擾流元件的換熱管，并將其與波浪形、光滑換熱管在相同流體介質(zhì)、流動情況下進(jìn)行了對比實驗，實驗結(jié)果表明，不同形狀的擾動元件對流換熱強(qiáng)化強(qiáng)度差異較大，在這一點“蛇形”擾流元件組顯著優(yōu)于波浪形擾流元件組，但研究發(fā)現(xiàn)“蛇形”擾流元件組的水泵消耗功率明顯增大，這也意味著對流換熱強(qiáng)化強(qiáng)度越高，對流體的阻礙作用越劇烈；因此從經(jīng)濟(jì)效益角度出發(fā)，要從流動阻力和強(qiáng)化效果兩方面綜合選擇合適的擾流元件。

3 總結(jié)與展望

本文通過對現(xiàn)今強(qiáng)化對流換熱研究總結(jié)得出，強(qiáng)化換熱的本質(zhì)在于增大換熱壁的表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)。具體可通過改變流體雷諾數(shù)、減薄熱邊界層、增加流體中的擾動這3個目標(biāo)設(shè)計強(qiáng)化換熱方法。對流換熱微分方程的封閉性以及數(shù)值計算能力有限，尚未形成適應(yīng)性較廣的理論結(jié)果，導(dǎo)致目前關(guān)于強(qiáng)化對流換熱問題的研究大多都停留在對某一特定工況的數(shù)值模擬階段，部分流動參數(shù)對換熱結(jié)果的影響僅在有限的實驗范圍內(nèi)成立，同時缺乏理論分析。未來工作有望從以下3個方向展開。

首先，強(qiáng)化基礎(chǔ)研究，推動工程傳熱研究與數(shù)學(xué)分析理論發(fā)展的交叉融合，嘗試建立更易求解、能深刻揭示物理量與換熱間的內(nèi)在聯(lián)系的新數(shù)學(xué)表達(dá)模型。

其次，強(qiáng)化對流換熱方法都不可比避免地引起流動阻力的增加，因此應(yīng)當(dāng)考慮從換熱強(qiáng)度、流動阻力以及設(shè)備運(yùn)行費用等綜合因素對其進(jìn)行多目標(biāo)優(yōu)化，將數(shù)值模擬計算分析得到的結(jié)果在相似換熱條件下進(jìn)行對比實驗驗證，增強(qiáng)模擬結(jié)果的實際指導(dǎo)意義以及應(yīng)用價值。

最后，從強(qiáng)化對流換熱的總體設(shè)計目標(biāo)入手，針對某一特定對流換熱問題發(fā)掘?qū)嵱眯Ч鼉?yōu)的新強(qiáng)化方式或?qū)F(xiàn)今應(yīng)用較廣的強(qiáng)化手段相結(jié)合形成換熱效率更高的復(fù)合強(qiáng)化策略。