受肠道启发的太阳能吸热管强化传热性能

摘要：抛物槽式集热器是一种高效的集中式太阳能发电装置，具有广阔的发展前景；然而低效的太阳能集热管限制了系统太阳能利用效率的进一步提高。为有效提高流动传热性能，受人体肠道强化营养吸收的启发，提出使用仿生波纹吸热管作为槽式集热器中金属管的想法；结合蒙特卡罗射线追踪方法，采用有限体积法建立三维数值分析模型；研究仿生吸热管主要结构参数对传热和流动性能的影响。结果表明：仿生波纹结构的引入不仅增大了换热面积，而且加强了换热工质的扰动；与传统圆管相比，受肠道启发的太阳能吸热管整体传热性能提升高达35%。

关键词：太阳能； 抛物槽式集热器； 仿生肠道； 吸热管； 强化换热

中图分类号： TM 914.4.2""" 文献标志码： A

引用格式：王富强，史绪航，赵栩艺，等.受肠道启发的太阳能吸热管强化传热性能［J］.中国石油大学学报（自然科学版），2025，49（1）：153-159.

WANG Fuqiang， SHI Xuhang， ZHAO Xuyi，et al. Intestine-inspired solar absorber tube for enhancing" heat transfer performance ［J］. Journal of China University of Petroleum （Edition of Natural Science），2025，49（1）：153-159.

Intestine-inspired solar absorber tube for enhancing" heat transfer performance

WANG Fuqiang1， SHI Xuhang1，2， ZHAO Xuyi1， FAN Yaping1， ZHANG Jingyu1

（1.School of New Energy， Harbin Institute of Technology （Weihai）， Weihai 264209， China；

2.College of Mechanical and Electronic Engineering， Shandong Agricultural University， Taian 271018， China）

Abstract： The parabolic trough collector is an efficient device of concentrated solar power system， which has broad development prospects. However， an inefficient absorb tube limits the further improvement of the systems solar energy utilization efficiency. To effectively improve the flow and heat transfer performance， inspired by the enhanced nutrient absorption in the human intestine，" the idea of using a biomimetic corrugated absorber tube as the mental tube of solar parabolic trough receiver was proposed. Combined with the Monte Carlo ray tracing （MCRT） method， the finite volume method was used to establish a three-dimensional numerical analysis model. The effects of the main structural parameters of the biomimetic absorber tube on the heat transfer and flow properties were studied. The results show that the biomimetic intestine structure can increase the heat exchange area and enhance the disturbance of the heat exchange working fluid. Compared with traditional round tubes， the overall heat transfer performance of the intestinal-inspired tube is improved by 35%.

Keywords： solar energy; parabolic trough collector; biomimetic intestine; absorber tube; heat transfer enhancement

收稿日期：2024-04-28

基金项目：国家自然科学基金项目（52076064）；山东省泰山青年学者项目（tsqn201812105）

第一作者：王富强（1983-），男，教授，博士，博士生导师，国家“万人计划”青年拔尖人才、山东省泰山青年学者，研究方向为太阳辐射换热、太阳能全光谱利用。E-mail：wangfuqiang@hitwh.edu.cn。

通信作者：史绪航（1996-），男，副教授，博士，研究方向为太阳能高效利用。E-mail：shixuhang@sdau.edu.cn。

文章编号：1673-5005（2025）01-0153-07""" doi：10.3969/j.issn.1673-5005.2025.01.016

中国力争2030年前实现碳达峰，2060年前实现碳中和，有力推动能源结构转型和升级［1-3］。因太阳能储量丰富、绿色清洁等独特优势，以太阳能为主的可再生能源利用成为实现双碳目标的重要途径之一［4-6］。中国具有丰富的太阳能资源，但因自然条件下能流密度低，外部环境制约了其大规模开发利用。目前，通常采用聚集技术将低密度的太阳能流进行汇聚，形成高温能流后再利用［7-9］。太阳能聚集利用技术主要有热发电［10］、热光伏［11］和热化学［12］，其中热发电技术是最具有潜力的方式之一。在太阳能热发电的主要方式中抛物槽式太阳能聚光集热系统因具有聚光比变化范围大、结构紧凑、占地面积小等优势，被广泛应用。高效的管式吸热器是槽式热发电的核心部件，其性能对整个系统影响很大［13-15］。目前对其性能强化的研究主要集中在两方面：①改变管的形状（螺纹管、伸缩管等）增大传热面积［16］；②管内插物（纽带、针翅等）增强管内的湍流程度［17］。Wang等［18］设计了对称和非对称的外凸式波纹管结构，有效提升了系统的综合换热性能。Bellos等［19］提出了具有正弦几何形状的凹形吸热管，传热表面和流体湍流的增加提高了集热器的效率。Zheng等［20］设计并优化了具有多孔板嵌件的吸热管，获得了更好的热性能。Gong等［21］引入了管壁内布置有阵列针翅的吸热管作为槽式集热器的吸热管，总传热性能可以提升12%。众多学者致力于强化换热手段的研究，但槽式太阳能集热器性能的影响规律不明晰，且优化设计缺乏理论指导。因此，笔者受肠道营养强化吸收的启发，提出仿生肠道波纹吸热管来改善抛物槽式接收器的传热性能，基于建立的三维数值模型揭示新型结构影响系统性能的机制。

1" 模型建立

1.1" 物理模型

图1为抛物槽式集热系统，主要由反光镜、集热管等组成。如图1（a）所示，入射的太阳光线经反光镜反射，汇聚在集热管的下表面，接收到高能流密度的太阳辐射。而上表面则受到非汇聚的太阳光直射，辐射热流密度较低。吸热管内的换热工质（如D12导热油）吸收非均匀热流的能量完成光热转化过程。能量转化过程主要包含对流换热、导热和辐射换热。肠道内部存在的凸起结构不仅增加了表面积，还支持肠道蠕动，有利于营养物质的吸收。受此启发，引入仿生肠道吸热管作为抛物槽式接收器中的金属管，以提高太阳能利用效率（图1（b））。仿生肠道集热管的轴截面图如图1（c）所示，集热管长L=1.015 m，管直径D=0.035 m，主要结构参数分别定义为波纹高度h、波纹圆角半径r和波纹间距s。

1.2" 数学模型

抛物槽式集热系统涉及对流、导热、辐射等复杂能量转化过程。守恒方程和边界条件定义如下。

（1）质量守恒方程。

vrr+vrr+

1rvφφ+

vyy=0.（1）

式中，vr、vφ和vy分别为径向、角向和轴向速度，m/s。

（2）动量守恒方程。

纳维-斯托克斯方程（N-S方程）通常用来描述黏性不可压缩流体动量守恒的运动方程：

ρvrt+vrvrr+vφrvrφ-

v2φr+vyvry=

ρgr+μ2vr2r+

1rvrr+

1r22vrφ2+

2vr2y-

2r2vφφ-

vrr2-pr .（2）

ρvφt+vrvφr+vφrvφφ+

vφvrr+vyvφy=

ρgφ+μ2vφ2r+

1rvφr+

1r22vφφ2+

2vφ2y+

2r2vrφ-

vφr2-1rpφ .（3）

ρvyt+vrvyr+vφrvyφ+

vyvyy=

ρgy+μ2vy2r+

1rvyr+

1r22vyφ2+

2vy2y-py .（4）

式中，μ为动力黏度，Pa·s;p为压力，Pa；ρ为流体平均密度，kg/m3。

（3）能量守恒方程。

流体相：

ρcpTft+vrTfr+vφrTfφ+

vyTfy=

λ2Tfr2+1rTfr+

1r22Tfφ2+

2Tfy2.（5）

式中，λ为导热系数，W/（m·K）;cp为比定压热容，J/（kg·K）;Tf为流体温度，K。

固体相：

Tst=λρcp

2Tsr2+1r

Tsr+1r2

2Tsφ2+2Tsy2.（6）

式中，Ts为固体温度，K。

（4）边界条件。

吸热管设置为速度入口，内壁面设置无滑移边界条件。吸热管的外壁面受到不均匀热流的影响。蒙特卡洛光线追踪法在描述太阳光线汇聚的过程中具有较好的灵活性和准确性的优势，采用该方法模拟吸热管下半段接收到的汇聚太阳辐射热流分布，并将其作为边界条件。吸热管入口、吸热管内壁面、吸热管上外壁面、吸热管下外壁面边界条件设置分别为vy=vin、vr=vφ=0 m/s、Tf=Tin=400 K，vy=vr=vφ=0 m/s，Q1=1000×0.95×0.96=912 W/m2，Q1=QMCRT。

1.3" 性能评估

为了评估仿生型吸热管的热性能，引入了雷诺数Re、流体平均努塞尔数Nu、摩擦因子f和综合传热因子η，表示为

Re=ρuD/μ.（7）

Nu=HD/λ.（8）

式中，u为入口流体速度，m/s;D为吸热管水力直径，m;

H为等效对流换热系数，W/（m2·K）。

流体流动的阻力特性变化也需要被考虑，引入范宁摩擦因子：

f=ΔpD2ρLu2 .（9）

式中，Δp为进出口压力差，MPa;L为管长，m。

仿生结构强化换热性能的同时会伴随流动阻力增加。综合传热因子被广泛用于评估吸热管的综合性能，定义为

η=（NuBIPTR/NuPTR）3fBIPTR/fPTR .（10）

2" 网格无关性及模型验证

2.1" 网格无关性验证

对数值模型划分结构化六面体网格，为更好地捕捉流动特性，加密了局部区域网格（图2（a））。以出口流体平均温度和流体平均努塞尔数为参考，对不同网格数量的模型进行网格独立性验证。如图2（b）所示，达到一定网格数量后，网格数量变化对计算结果的影响基本可以忽略。综合考虑计算资源和计算精度，网格数量设置约为280×104。

2.2 模型验证

在数值模型中吸热管内流体流动为湍流，Wang等［18］的数值分析证明在标准k-ε模型下，数值结果与Roldan等［22］的试验结果的偏差较小。因此采用标准k-ε模型描述管内流体的湍流流动，在Fluent中设置能量方程的残差小于10-8，其他变量的残差小于10-6。

为验证所建立的三维分析模型的准确性，从Sandia国家实验室［23］试验测试报告中选取6组典型试验工况，采用相同条件进行数值计算，并对比吸热管出口的流体平均温度Tout。如表1所示，数值计算结果与试验温度基本一致，最大相对误差为0.475％，说明本文建立的模型可靠。

3" 结果与讨论

3.1" 仿生型管和传统圆管传热性能

针对仿生肠道吸热管（BI-PTR）和传统吸热管（PTR）分析了管内流体温度和湍流动能（TKE）分布，揭示吸热管流动换热性能的影响机制。

吸热管出口截面温度分布如图3所示。由图3可知，吸热管下表面由于接收了高密度的汇聚太阳能流被快速加热，

并向管内壁和上部传递热量。因此温度呈现出上低下高的特点，符合太阳能流的分布特征。仿生波纹结构增强了换热工质与壁面之间的对流换热，使得出口平均温度略高于传统管。

图4为仿生型吸热管和传统圆管轴截面的湍动能分布情况。由图4可知，湍动能沿管轴线对称分布，中心主流区湍动能较小，而近壁面处由于受到了壁面剪切应力的影响，该区域的湍动能有所提高。另外，仿生管波纹区域的湍动能明显地突变升高，这是因为波纹的存在引起了流体流动状态的突然变化，出现了流动紊乱的高湍动能区域，局部换热能力得到增强。

3.2" 波纹高度对流动传热影响

图5为不同波纹高度的仿生型波纹管的努塞尔数Nu和摩擦因子f随雷诺数Re的变化情况。由图5可知，当Re达到一定范围时，仿生管内流体努塞尔数大于传统圆管的，这说明仿生结构的引入对于强化换热是有效的。对于摩擦因子，仿生型波纹管明显大于传统圆管，可见该结构在强化传热的同时也带来了额外的压力损失。Re一定时，增加波纹高度导致摩擦因子增大，但对努塞尔数的影响并不大。

不同波纹高度下的综合传热因子如图6所示。由图6可知，只有当雷诺数达到一定值时，η才大于1，表明此时仿生结构优于传统结构。随着Re增大，η上升速率趋于平缓，说明工质流速增加对提升吸热管效率作用有限。在本文研究的参数范围内，η随波纹高度h的增加而下降，h为2 mm的吸热管综合性能更优，相对传统圆管最多可提升32%。

3.3" 波纹圆角半径对流动传热影响

图7为仿生型波纹管内流体Nu和f随Re的变化。由图7可知，相比于圆管，仿生管的Nu更大，这是因为波纹结构破坏了边界层发展，增加了流体扰动。另外，仿生型波纹吸热管内流体流动阻力相

对传统圆管有上升，介于1.04 ～ 1.21倍之间。波纹圆角半径r对流体Nu和摩擦因子f的影响不明显。

不同圆角半径的仿生型波纹管内η随Re的变化如图8所示。由图8可知，Re达到一定范围后，综合传热因子η大于1，表现出优于传统吸热管的换热效率，说明仿生波纹结构在一定程度上可以强化换热。另外，波纹圆角半径增大有利于集热系统性能的提升，相比于传统吸热管，在参数研究范围内仿生型波纹管的综合换热效率最大可以提升28%。

3.4" 波纹间距对流动传热影响

图9为不同波纹间距下Nu和f随雷诺数Re的变化。由图9可知，流体的Nu随Re增大而增大（图9（a）），使得对流换热效果得到增强，这是因为Re增大导致流体扰动增强，减薄了近壁面热边界层的厚度。波纹间距s对换热效果的影响基本可以忽略，但是对摩擦因子的影响比较明显。随着波纹间距增加，流体流动的扰动频率和强度逐渐减弱，导致摩擦因子f逐渐减小（图9（b））。很明显，仿生型波纹管的摩擦因子都高于传统圆管。

图10为不同波纹间距下综合传热因子η随Re增长的变化。由图10可知，引入仿生波纹结构一定程度上可以提升集热管效率，且综合换热性能随着Re增加而提升。当综合传热因子大于1时，说明吸热管传热性能的提升超过了阻力增大带来的负面影响。随着波纹间距s增大，传热效果提高的同时伴随着流动阻力下降，使得综合传热因子上升。当Re=92400时，仿生肠道波纹吸热管的综合传热因子最高可达1.35。

4" 结" 论

（1）在抛物槽式集热系统中引入仿生型波纹吸热管，与传统的金属吸热管相比，仿生肠道结构可以明显优化抛物槽式集热管的传热性能和流动性能，随着雷诺数Re增加性能强化的效果越发明显。

（2）随波纹高度增加工质与壁面的换热减弱，抛物槽式集热管的综合传热性能随波纹高度增加而有所下降；波纹圆角半径r对于流体换热和流动阻力影响并不明显，波纹圆角半径增大有利于其性能提升。

（3）随波纹间距增加，换热效果略增大，而表征流动阻力的摩擦因子逐渐减小，综合换热性能上升；在本研究的参数范围内，当Re为92400时，受肠道启发的集热管的综合换热性能最高提升35%。

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（编辑" 沈玉英）