强化单相对流换热技术研究进展＊

杨雨卓，徐子帅，彭逸佳，周晓斌

（武汉理工大学汽车工程学院，湖北 武汉 430022）

能源是一个工业国家立足之根本，是电子通信、汽车工业、航空航天以及国防军工等关键技术发展的先导条件。近年来，随着中国侧供给结构性改革的大力推行，对国内先进制造企业提出更为严苛的排放标准，通过节能减排技术实现能源的高效利用是能源领域的发展趋势[1]。目前国内外围绕高品位能的回收进行了大量研究并取得理想的成效，但是关于低品位热能的余热利用技术并未实现较大的突破，高温烟气、水蒸气等工业废气内含有大量的未充分利用的余热，既损耗了能量也给环境保护带来压力，成为现今亟待解决的技术难题，因此迫切需要找到高效提高热量传递效率的技术方案。其中对流传热是工程技术以及自然社会中起最重要作用的热量交换方式，流动介质以及换热固体物性等差异使得对流换热强度与效率千变万化，运用强化对流换热技术可实现大工业废热回收、动力电池余热再利用、提升电子系统冷却和各类换热器等过程的热效率，因此必须十分重视强化对流换热技术在节能减排中的作用[2]。

本文通过收集已形成的强化对流换热技术案例，系统阐述对流换热现象及其数学描述方式，重点分析了近年强化对流换热主流技术的原理与研究进展，最后就强化对流技术在未来发展过程中所面临的机遇和挑战进行展望与总结，有望为新型高强对流换热技术的开发提供新思路。

1 对流换热现象概述

1.1 对流换热定义

对流换热是指流体宏观运动流经固体壁面而发生的热量转移现象。对流换热中既包括因流体运动导致流体内部的发生位移，冷、热流相互参杂所传递的热对流现象；还包括流体与固体壁面内部分子、原子、自由电子之间的热运动的热传导现象，如图1所示，左侧箭头表示流体流动方向。

图1 对流换热过程热量传递机理

关于对流换热量的计算公式如下：

受粘滞应力作用，附着在壁面的极薄层流速可忽略不计，由傅里叶导热定理得：

壁面薄层内运用能量守恒，得到对流换热表面传热系数的定义式如下：

式（3）中：Δt为壁面和流体间的温度差，规定取正；λ为流体的导热系数。

1.2 二维-稳态对流换热过程完整数学描写

流体被认为是不可压缩的牛顿流体，具有不变的性质。对于一般流场，为了便于实际描述则认为其由二稳态连续性和动量方程控制，数学描写如下。

流体质量守恒：

式（4）中：u为主流方向速度；v为垂直于主流方向速度。

流体主流方向动量守恒：

式（5）（6）中：ρ为流体密度；t为时间；Fx为主流方向的质量力；η为流体的动力粘度。

流动能量守恒：

式（7）中：Cp为流体的定压比热容；λ为流体导热系数。

上述4个控制方程构成了对流换热问题的完整微分方程组，深刻地揭示了对流换热过程中与相关物理量之间的关系。但得到某一特定对流换热现象的表面传热系数，还应该对定解条件作出规定，即需要获得某特定工况下的边界条件（如壁面温度、壁面热流密度等）。通常采用数量级原则来简化对流换热问题的数学表达。

2 强化对流换热技术综合分析

2.1 强化对流换热总体设计目标

从上述对流换热现象的理论描述可知，强化对流换热的核心在于提升表面传热系数，一般有如下3个方式。

改变流动雷诺数：雷诺数（Re）是描述流体流动的无量纲数，数值大小反映了流体介质所受惯性力与换热壁面的粘滞应力之比的相对大小。迄今为止，大量实验经验表明雷诺数与反映表面传热系数的努塞尔数大小呈正相关趋势；雷诺数数值正比于流动速度，反比于流体运动粘度，因此相同情况下水的换热性能远强于空气。

减薄热边界层厚度：根据对流换热传热机理可知，在换热壁表面始终存在一个温度梯度很大的“极薄流体层”。若流动边界层变薄势必导致热边界层内温度变化更加剧烈，从而增大温度梯度，从本质上提高表面传热系数改善对流换热效率。

增加流体中的扰动：流体流动按流态可分为层流和湍流2类。前者在内部流体粘性切应力的作用下沿主流方向运动规律，法相速度为主流速度的相当小量，可忽略不计，因此流体各层流主动互不干扰，进行以热导热为的换热；后者则在流体间法相扰动剧烈，冷、热部分相互参杂，换热量相较前者有大幅提升。

2.2 压电风扇激励强化技术

近年来随着电子通信的飞速发展，集成电路系统中热通量的快速增长成为限制芯片功率提升的技术难题，因此，改善电子系统对流传热性能成为亟待解决的问题。然而，传统的自然对流和强制对流冷却方法的有效性通常受到空间与噪声的限制。压电风扇凭借其高可靠性、低噪声、低功耗和满足空间占比要求等独特特性而受到广泛关注[3]。压电风扇是由压电层和柔性叶片组成。基于压电材料的“逆压电效应”可将电能转换为机械能的特性，通过控制施加在压电材料上的交流电压，实现压电层周期性地膨胀和收缩，从而引起柔性叶片的振动，逆压电效应机理如图2所示。

图2 逆压电效应机理示意图[3]

上述柔性叶片产生的振动将会传递给周围流体，对流体流动产生显著的扰动引起周围流体产生旋转和涡流，反复破坏内部热边界层；与此同时在风扇振动头部附件流体将形成“伪射流”，进一步提高表面传热系数。

压电风扇通常垂直布置，与横流相互作用，旨在大幅增强受热表面的传热性能，但是需要提供额外的安装空间，这显然与其使用初衷相违背并限制其应用。QIU等[4]提出一种水平布置方式，用于安装与通道中横流相互作用的压电风扇，并沿流动方向在不同振幅和流速下测试和研究了局部加热通道中压电风扇与横流相互作用引起的局部传热强化。实验结果表明，强化传热来自于压电风扇产生的强纵向涡对，显著促进了主流和近壁流之间的换热；在a=0.66（a为无量纲振幅）和Re=1 820的情况下，平均努塞尔数的增强率可达到119.9%，水平布置也具有理想的换热性能。

2.3 纳米流体强化技术

纳米流体强化法通过在常规流体介质（水、油、醇）中加入少量的纳米级别的金属或非金属颗粒来制备成为一种新型高导热系数、稳定的纳米流体。与常规的流体介质分子相比，纳米级别的颗粒则显得十分微小，在自身热运动以及流体分子力的作用下保持平衡呈悬浮状态[5]。研究表明，纳米颗粒具备极其优异的导热性能，并在流动的过程中与流体分子之间发生剧烈的碰撞，即动量交换。FARD等[6]发现纳米流体更易形成湍流对壁面的扰动更为强烈，热对流传热量更高；与此同时自身较高的导热系数显著提升了垂直于壁面方向的热传导，对流换热效率总体提高近15%左右。杨曦等[7]对13种不同径粒、体积分数的纳米流体进行换热模拟，结果表明，纳米流体的强化换热性能与纳米颗粒的大小、颗粒的体积分数成正比。

空调制冷系统中的气体冷却套筒是纳米流体应用的经典案例之一。刘业凤等[8]基于纳米流体强化对流换热原理，将纳米流体作为换热介质运用于CO2制冷循环中的气体冷却套筒中。如图3所示，待冷却的CO2气体从套筒的上部流过，纳米流体从中部流过，二者通过壁面的对流传热实现热量交换。不同种类的纳米流体模拟计算结果表明“石墨-H2O”纳米流体的换热效果最佳；对流换热量随着纳米颗粒的体积分数的增大整体呈上升趋势，但增大速度会逐渐减小。

图3 CO2气体冷却套筒示意图[8]（单位：mm）

2.4 换热面振动强化技术

刚性换热面振动法强化对流换热的核心机制在于，壁面法相振动会赋予流体一个周期变化的法相速度，引起流体内部速度场产生大幅波动，进而使流体流动的雷诺数Re增大，从而改变流体在壁面的流态。根据单相对流换热的特征数方程可知，雷诺数Re的数值直接决定了对流换热的努塞尔数，即表面传热系数。值得注意的是，换热壁面的高频振动在一定程度上提升了对流换热效率，但同时也对设备工作稳定性造成不可忽略的破坏。因此该方法更适用在一些对机械设备稳定性要求不高的工业设备以及精确分析由装置本身振动引起的对流换热量。

计算机仿真技术的不断发展对强化对流换热技术起到积极的辅助作用。孙征等[9]运用Fluent软件，分析了法向振动参数对汽车换热圆管内部对流换热的影响。模拟结果表明，振动可显著强化圆管的对流换热效率，在雷诺数Re=1 988的工况下，最高换热强度提升近600%；对热换热强化效果随着振动的幅度和频率的升高而更加明显，推测这与换热面热边界层温度梯度的变化有关。邬晓俊等[10]在对流换热理论微分方程的理论推导的基础上，在简谐运动的非惯性坐标系下模拟壁面振动过程。模拟结果表明，低频振动对层流的对流换热强度效果不明显；当振动幅度超过某一阈值时，对流换特强度得以显著提升，这与流体流态从层流迈向湍流、流体内部扰动变得剧烈有关，此时流动阻力也会同步增长。

流体对振动壁面的亲和程度会直接影响最终强化换热效果。杨立等[11]发现振动平板上液膜的表面张力和液膜壁面接触角θ均会影响降膜蒸发换热效率。实验结果表明，对于液体换热介质而言，只有同时改变换热面的振幅和频率才会使对流换热强度发生显著变化；在频率为50 Hz，A为2.0 mm时的振动参数下，对流换热强度较不作任何处理时能提高27%。

2.5 插入扰流强化技术

插入扰流法是工程领域普遍使用的对流换热强化方式，最常应用于大型换热管内壁和换热平板外壁。附着在换热界面的小型凸出扰流肋片，可在消耗较少的材料、增加较少的条件下大幅提升对流换热的“有效面积”；与此同时，凸出的扰流元件会伸入到流动边界层，增大流动阻力并对壁面附件流体产生分流和旋转作用，致使管内或壁面始终保持一个较薄水平的流动边界层，提高表面传热系数，进一步强化对流换热强度。

插入扰流法在平板换热壁中有助于形成局部湍流。JAIN等[12]在太阳能空气加热器壁面加装多间隙扰流弧形肋片，旨在阻断边界层的生长，从而增强传热，如图4所示。在恒定热流为1 000 W/m2时，雷诺数Re从3 000～18 000之间进行了实验，并与相似条件下的光滑管道进行了对比。实验结果表明，插入扰流强化法处理的太阳能空气加热器换热壁面的传热和压降分别比光滑的壁面高近274%和169%。

图4 太阳能空气加热器壁面流动模式[13]

插入扰流法在圆管小雷诺数流动中仍表现出较理想的强化换热效果。丁少伟等[13]开发出一种波形扰流肋片，并将其应用于高温烟气的冷却管道中分析波形扰流肋片在烟气等小雷诺数Re流动中的强化对流换热效果。对比实验表明，采用肋片组流体的温度均得到不同程度的下降，换热强度与雷诺数的变化呈正相关趋势。

扰流元件的形状是影响插入扰流强化换热的重要因素。姬长发等[14]设计了一种具备“蛇形”扰流元件的换热管，并将其与波浪形、光滑换热管在相同流体介质、流动情况下进行了对比实验，实验结果表明，不同形状的扰动元件对流换热强化强度差异较大，在这一点“蛇形”扰流元件组显著优于波浪形扰流元件组，但研究发现“蛇形”扰流元件组的水泵消耗功率明显增大，这也意味着对流换热强化强度越高，对流体的阻碍作用越剧烈；因此从经济效益角度出发，要从流动阻力和强化效果两方面综合选择合适的扰流元件。

3 总结与展望

本文通过对现今强化对流换热研究总结得出，强化换热的本质在于增大换热壁的表面传热系数。具体可通过改变流体雷诺数、减薄热边界层、增加流体中的扰动这3个目标设计强化换热方法。对流换热微分方程的封闭性以及数值计算能力有限，尚未形成适应性较广的理论结果，导致目前关于强化对流换热问题的研究大多都停留在对某一特定工况的数值模拟阶段，部分流动参数对换热结果的影响仅在有限的实验范围内成立，同时缺乏理论分析。未来工作有望从以下3个方向展开。

首先，强化基础研究，推动工程传热研究与数学分析理论发展的交叉融合，尝试建立更易求解、能深刻揭示物理量与换热间的内在联系的新数学表达模型。

其次，强化对流换热方法都不可比避免地引起流动阻力的增加，因此应当考虑从换热强度、流动阻力以及设备运行费用等综合因素对其进行多目标优化，将数值模拟计算分析得到的结果在相似换热条件下进行对比实验验证，增强模拟结果的实际指导意义以及应用价值。

最后，从强化对流换热的总体设计目标入手，针对某一特定对流换热问题发掘实用效果更优的新强化方式或将现今应用较广的强化手段相结合形成换热效率更高的复合强化策略。