近日，一项受自然启发的创新研究为微通道热交换器的性能提升开辟了新路径。通过模仿江河中沙洲的形态，研究人员设计出一种3D打印的新型仿生通道，解决了传统锯齿形通道在传热与流阻之间难以兼顾的固有矛盾。
https://doi.org/10.1016/j.applthermaleng.2024.124309
摘要
锯齿形通道印刷电路板式热换热器因其良好的传热性能，被广泛应用于核能、太阳能及航空航天领域。然而，锯齿形通道的高流动阻力会导致泵送功耗增大，从而限制了其整体性能。尽管先前的改进型通道能够降低印刷电路板式热换热器的流动阻力，但同时也导致了传热效率的下降。
受江河中沙洲的启发，来自西安交通大学等高校的研究团队提出了一种新型仿生通道。研究人员通过3D打印技术制备了该仿生通道换热器与传统锯齿形通道换热器。高温空气-空气流动与传热实验表明：仿生通道换热器在平均传热率提升1.5%的同时，显著降低了34.85%的压降。在转角处增设的翼型翅片有效缓解了因流动分离、再附着和碰撞产生的流动阻力，从而实现了更高的努塞尔数和更低的范宁摩擦因子。与倾斜角为15°的锯齿形通道相比，仿生通道的努塞尔数高出59%。本研究表明，相较于传统锯齿形通道，仿生通道能在保持高传热效率的同时显著降低流动阻力。
效率与阻力的博弈
微型通道换热器与印刷电路板式换热器
微型通道换热器因其高紧凑度而被广泛应用于热能转换领域。印刷电路板式换热器（PCHE）是一种典型的微型通道换热器，适用于高温高压的工作条件。它采用化学蚀刻工艺，可以在金属板上加工出直径为0.5毫米至2毫米的半圆形通道或特定设计的翅片。随后，将多块带有通道或翅片的金属板堆叠起来，通过高温高压下的扩散焊接技术连接成一个整体。
这一制造工艺使得设计具有不同特性的通道以满足特定性能需求成为可能。微小的通道和翅片尺寸显著增加了传热面积，而扩散焊接技术则保证了连接强度接近母材，从而增强了其耐压性能。若采用如镍基高温合金和金属陶瓷复合材料等特种材料，还能进一步强化PCHE的耐高温和耐腐蚀性能。得益于这些优越特性，PCHE被广泛应用于高温高压传热过程，例如用于高温超临界二氧化碳（SCO₂）布雷顿循环以提高发电系统效率，在甚高温气冷堆（VHTR）中作为中间换热器，以及应用于聚光太阳能发电系统以提高传热效率。
PCHE的性能平衡与优化挑战
为了提升整个系统的性能，换热器必须具备高传热效率和低流动阻力，以最小化泵送功率。当前关于PCHE的研究主要集中于通过增加流动扰动来减薄边界层厚度，从而提高换热器效率。然而，这种方法通常会导致压降增加。因此，在微型通道换热器的设计中，必须在效率与压降之间取得平衡。
主要通道类型的特性与局限
PCHE的常见通道类型包括直通道、锯齿形通道、翼型翅片和S形翅片。直通道PCHE表现出最低的阻力系数，但由于缺乏边界层扰动，其传热效率也相对较低。锯齿形通道通过在拐角处引入扰动，有效增强了传热，但导致了显著的压降。针对锯齿形通道的优化研究（如改变倾斜角）表明，传热效率和压降会同时增加。然而，锯齿形通道，尤其是在采用大倾斜角时，表现出高流动阻力。因此，这类通道进一步发展的关键是在保持高传热效率的同时降低压降。一些基于锯齿形通道的改进设计（如插入直通道或采用蜂窝状排列）被提出，但它们在维持高传热效率的同时有效降低阻力的能力有限。
对于翼型翅片等连续通道PCHE，其主要特点是流动阻力较低，但机械性能较差，原因在于翅片与板片之间的接触面积较小。当前研究侧重于翅片形状的优化。研究表明，翼型翅片PCHE可以大幅降低压降，不同的翅片排列方式会影响其传热性能。S形翅片和正弦翅片等新型结构也被提出，并显示出优于传统锯齿形通道的热工水力性能。机器学习技术已被用于预测PCHE性能和优化其形状，以显著减少计算时间。
综上所述，连续通道与非连续通道换热器均存在特定问题：连续通道换热器常因接触面积小而导致机械性能较差；而如锯齿形通道之类的高效非连续通道则面临显著的流动阻力问题。传热的强化往往以压降的增加为代价，因此，有必要开发新的结构，以在效率与压降之间实现更好的平衡。
3D打印结合仿生设计：博弈制胜的新路径
近年来，3D打印技术的发展为制造具有复杂通道结构的微型通道换热器提供了新的可能性，这有助于实现兼具高传热效率和低流动阻力的优化设计。
现有研究表明，3D打印技术为制造几何形状复杂的换热器通道提供了一种更为便捷的途径。本研究利用3D打印技术，开发了一种新型的仿生通道结构，旨在解决高传热效率与低流动阻力难以同时实现的挑战。
本研究介绍了一种结合锯齿形通道与翼型翅片的新型仿生换热器。该换热器采用3D打印技术制造，并通过对比实验研究其热工水力性能。具体而言，在流体流动方向发生改变的通道转角处，布置了高升阻比的翼型翅片，以降低压力损失。同时，在这些对流换热系数较高的转角区域，增加了额外的翼型翅片，以有效增大传热面积。这种设计方法旨在显著降低流动阻力的同时，保持可比的传热性能。
研究采用高温空气作为工质进行对比实验，以探究该仿生换热器的热工水力特性。基于实验研究，推导出了该仿生换热器的传热与流动阻力关联式。
图文解析
图1. 仿自然通道设计。
图2. 换热器总体布局及板片结构。
图3. 采用3D打印技术制作的板片及换热器整体。
从左到右，从上到下依次为：
图5. 不同质量流速下锯齿形通道和仿自然通道换热器的传热速率变化。
图6. 不同质量流速下锯齿形通道和仿自然通道换热器的效率变化。
图7. 不同质量流速下锯齿形通道和仿自然通道换热器的压降。
图8. 不同质量流速下锯齿形通道和仿自然通道换热器的压降比。
从左到右，从上到下依次为：
图9. 不同热侧入口温度下锯齿形通道和仿自然通道换热器的传热性能。
图 10. 锯齿形通道和自然通道换热器在不同冷侧入口温度下的传热性能。
图 11. 锯齿形通道和自然通道换热器的努塞尔特数随雷诺数的变化。
图 12. 锯齿形通道和自然通道换热器的传热关联式比较。
从左到右，从上到下依次为：
图 13. 锯齿形通道和自然通道换热器的范宁摩擦因子随质量流量的变化。
图 14. 锯齿形通道和自然通道换热器的范宁摩擦因子的变化。
图 15. 不同通道类型努塞尔特数的比较。
图 16. 不同通道类型范宁摩擦因子的比较。
结论
本研究以自然界中河流弯道上形成的河岛为灵感，提出了一种新型自然通道换热器。该设计有效解决了锯齿形通道中流动阻力大的问题，同时保持了较高的传热效率。该换热器与一台对比的锯齿形通道换热器均采用3D打印技术制造。开展了高温空气-空气流动与传热实验，比较了两种换热器在不同流量和入口温度条件下的流动和传热性能。获得了两种换热器的传热和摩擦因子关联式，并将其性能与不同类型的换热器进行了比较。研究得出以下结论：
(1)与传统的锯齿形通道换热器相比，自然通道换热器的传热性能略有提高，平均传热速率提高了1.5%。自然通道换热器的压降显著降低，平均降低了34.85%。自然通道在保持传热性能的同时，显著降低了流动阻力。
(2)获得了矩形截面锯齿形通道换热器和仿自然通道换热器的整体传热和摩擦因子关联式。随着雷诺数的增加，两种换热器的努塞尔特数均增加，范宁摩擦因子降低。然而，仿自然通道换热器的努塞尔特数略高，范宁摩擦因子低得多。这主要是因为在新型仿自然通道的拐角处增加了翼型翅片，有效地缓解了流动分离、再附着和碰撞造成的阻力。翼型翅片增加了对流换热面积，有效利用了拐角处的强化传热，使其努塞尔特数高于传统的锯齿形换热器。
(3)将仿自然通道换热器与五种常见通道类型进行了比较。在相同倾斜角度下，新型仿自然通道更具优势，具有更高的努塞尔特数和更低的范宁摩擦因子。与倾斜角度较小的通道相比，自然启发式通道的努塞尔特数比倾斜角度为15°的通道高出59%。自然启发式通道可以显著提高换热器的功率密度，或大幅降低其泵送功率。这两项改进均可有效提升系统效率。
本文参考来源：超临界二氧化碳动力循环
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