燃?xì)廨啓C(jī)作為現(xiàn)代能源動(dòng)力系統(tǒng)的核心裝備，廣泛應(yīng)用于航空推進(jìn)、艦船動(dòng)力和地面發(fā)電等領(lǐng)域。隨著全球能源結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)型和碳排放約束趨嚴(yán)，提升燃?xì)廨啓C(jī)循環(huán)效率已成為國內(nèi)外能源動(dòng)力領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。間冷回?zé)岵祭最D循環(huán)（Intercooled Recuperated Brayton Cycle）作為一種先進(jìn)的熱力循環(huán)方案，通過在壓縮過程中引入間冷器和在排氣過程中引入回?zé)崞鳎捎行Ы档蛪嚎s功耗、回收排氣余熱，使燃?xì)廨啓C(jī)效率提高約25%，油耗降低30%~40%，熱效率接近40%。研究表明，回?zé)崞骱烷g冷器的性能對(duì)燃機(jī)循環(huán)熱效率和總成本影響最為顯著，因此在燃?xì)廨啓C(jī)布雷頓循環(huán)中開發(fā)高效、緊湊、低成本的換熱器至關(guān)重要。

一、燃?xì)廨啓C(jī)換熱器發(fā)展概述

在燃?xì)廨啓C(jī)系統(tǒng)中，傳統(tǒng)上主要采用板翅式換熱器和一次表面式換熱器。然而，隨著燃機(jī)性能需求的持續(xù)提升，系統(tǒng)的最高工作壓力和溫度不斷提高，這對(duì)間冷器和回?zé)崞髟诔袎耗芰ΑQ熱效率、結(jié)構(gòu)緊湊性等方面提出了新的挑戰(zhàn)。印刷電路板式換熱器（Printed Circuit Heat Exchanger, PCHE）作為一種新型微通道換熱器，因其緊湊度高、體積小、重量輕、效率高等顯著優(yōu)勢(shì)，得到了學(xué)術(shù)界和工程界的廣泛關(guān)注。PCHE采用化學(xué)蝕刻工藝在金屬板片上加工出微細(xì)流動(dòng)通道，再將多片換熱板通過擴(kuò)散焊技術(shù)連接成整體芯體，加工后的材料仍保持與母材相近的機(jī)械力學(xué)性能，因此在高溫高壓條件下仍表現(xiàn)出優(yōu)良的結(jié)構(gòu)完整性和熱工水力性能。

目前，常見的PCHE通道結(jié)構(gòu)主要有直通道、之字型（Zigzag）通道、S型通道和翼型（Airfoil）通道四種。Kim等針對(duì)直通道內(nèi)超臨界二氧化碳的流動(dòng)換熱特性進(jìn)行了數(shù)值研究，提出了預(yù)測半圓形直通道內(nèi)流體流動(dòng)換熱性能的關(guān)聯(lián)式。Chen等在高溫氦氣試驗(yàn)臺(tái)上對(duì)之字型PCHE進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)測試，發(fā)現(xiàn)在層流條件下之字型通道的換熱能力較直通道可提高2~3倍，但Nikitin等指出之字型通道在提升換熱性能的同時(shí)，也導(dǎo)致通道內(nèi)壓降顯著增大。為兼顧優(yōu)良換熱能力和較低流動(dòng)阻力，Ngo等提出了S型通道結(jié)構(gòu)，Tsuzuki等的研究表明，當(dāng)S型和之字型PCHE的換熱性能相同時(shí)，S型翅片通道的壓降僅為傳統(tǒng)之字型通道的1/5。Kim等進(jìn)一步創(chuàng)新性地提出以NACA（National Advisory Committee for Aeronautics）翼型作為PCHE通道肋片結(jié)構(gòu)，得益于翼型的流線型外形，可有效降低通道內(nèi)的流動(dòng)阻力。此后，Chu等對(duì)比了不同肋結(jié)構(gòu)對(duì)PCHE流動(dòng)換熱性能的影響，發(fā)現(xiàn)非連續(xù)肋結(jié)構(gòu)的綜合性能顯著優(yōu)于連續(xù)平直肋結(jié)構(gòu)。

綜合來看，雖然已有學(xué)者對(duì)不同結(jié)構(gòu)形式的PCHE流動(dòng)傳熱性能進(jìn)行了研究，但多數(shù)研究以超臨界二氧化碳和高溫氦氣為工質(zhì)，聚焦于超臨界發(fā)電系統(tǒng)，而對(duì)于PCHE在間冷回?zé)岵祭最D循環(huán)燃?xì)廨啓C(jī)系統(tǒng)中的應(yīng)用研究相對(duì)有限。對(duì)翼型PCHE而言，不同翅片布局和幾何參數(shù)對(duì)流動(dòng)換熱性能的影響規(guī)律尚不清晰，缺乏針對(duì)變物性煙氣和水兩種典型工質(zhì)的熱工水力性能關(guān)聯(lián)式。此外，現(xiàn)有研究多基于熱力學(xué)第一定律進(jìn)行分析，缺乏從熱力學(xué)第二定律角度對(duì)換熱系統(tǒng)不可逆損失的深入探討。

為此，本文基于數(shù)值模擬方法，以高溫變物性煙氣和水為工質(zhì)，系統(tǒng)研究NACA0020翼型PCHE在不同橫向間距和縱向間距下的傳熱與阻力特性，結(jié)合場協(xié)同原理和熱力學(xué)第二定律，從能量品質(zhì)角度分析換熱器的綜合性能。通過設(shè)計(jì)正交實(shí)驗(yàn)，揭示不同幾何結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)換熱器流動(dòng)換熱性能的影響權(quán)重，并建立努塞爾數(shù)Nu和范寧摩擦因子f與雷諾數(shù)Re、普朗特?cái)?shù)Pr及無量綱幾何參數(shù)之間的經(jīng)驗(yàn)關(guān)聯(lián)式，以期為燃?xì)廨啓C(jī)系統(tǒng)中翼型印刷電路板式換熱器的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供理論依據(jù)和技術(shù)支撐。

二、數(shù)值模型與試驗(yàn)驗(yàn)證

2.1 物理模型及邊界條件

翼型翅片換熱器中的流動(dòng)通道具有周期性特征，為簡化計(jì)算、降低數(shù)值模擬成本，本文選取其中一個(gè)代表性單元進(jìn)行建模分析。所建立的單通道翼型PCHE模型由加熱段和兩個(gè)絕熱段組成。加熱段長度為210mm，兩個(gè)絕熱段長度分別為24mm和15mm，分別設(shè)置在通道的入口和出口處，用于減小入口效應(yīng)和出口回流對(duì)計(jì)算結(jié)果的影響。

計(jì)算域的邊界條件設(shè)置如下：入口采用質(zhì)量流量入口邊界條件，出口設(shè)置為壓力出口邊界條件；上下表面和翼型翅片表面施加等熱流邊界條件，左右表面設(shè)置為對(duì)稱邊界條件，其余表面均設(shè)置為絕熱邊界條件。當(dāng)工質(zhì)為煙氣時(shí)，入口溫度設(shè)定為923.15K，工作壓力為1.023bar，壁面熱流密度為-20kW/m2（負(fù)值表示流體被加熱）；當(dāng)工質(zhì)為水時(shí)，入口溫度為298.15K，壁面熱流密度為250kW/m2。

本文選用NACA0020翼型翅片模型，翼型弦長Lt和翅片長度Lc分別設(shè)置為1.2mm和6.0mm，翅片高度和換熱通道高度均為1.2mm。定義Lb為單排兩個(gè)翼型翅片的間距，Ls為兩排交錯(cuò)翅片的橫向間距，La為兩排交錯(cuò)翅片的縱向間距。換熱通道內(nèi)翼型翅片的排列方式可類比于管束排列，在計(jì)算中將Lb設(shè)定為Ls的兩倍。為便于分析不同排布結(jié)構(gòu)下翼型PCHE通道內(nèi)不同工質(zhì)的流動(dòng)換熱性能，定義無量綱橫向間距ξa = La/Lt與無量綱縱向間距ξb = Lb/Lc。

2.2 工質(zhì)物性參數(shù)

天然氣燃燒過程中化學(xué)當(dāng)量比設(shè)定為0.6。通過對(duì)煙氣成分的分析計(jì)算，煙氣各組分質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為：CO? 9.29%，N? 74.11%，O? 9.00%，H?O 7.60%。各單一純凈氣體的熱物理性質(zhì)從NIST（National Institute of Science and Technology）數(shù)據(jù)庫獲取，并根據(jù)Herrmann提出的混合氣體物性計(jì)算方法計(jì)算得到煙氣在壓力為1.023bar時(shí)隨溫度變化的熱物理性質(zhì)多項(xiàng)式函數(shù)。在本文所考慮的溫度和壓力范圍內(nèi)，水的熱物理性質(zhì)被設(shè)定為常量。

2.3 控制方程與數(shù)值方法

數(shù)值計(jì)算采用ANSYS CFX 16.0軟件平臺(tái)，控制方程基于有限體積法進(jìn)行離散。當(dāng)各控制方程的收斂殘差小于10??時(shí)，數(shù)值解被認(rèn)為已收斂。Ma等的研究發(fā)現(xiàn)，在低雷諾數(shù)條件下SST k-ω模型和層流模型預(yù)測的Nu和f差別很小，且采用SST k-ω湍流模型計(jì)算所得結(jié)果與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的誤差更小。因此，本文選用SST k-ω湍流模型對(duì)翼型PCHE通道內(nèi)的流動(dòng)換熱性能進(jìn)行數(shù)值求解。

在網(wǎng)格劃分方面，對(duì)近壁區(qū)域的網(wǎng)格進(jìn)行了局部加密處理，以確保無量綱壁面距離y?小于1，從而滿足湍流模型對(duì)近壁網(wǎng)格分辨率的要求。通過對(duì)比不同網(wǎng)格數(shù)量下以煙氣為工質(zhì)時(shí)的整體傳熱系數(shù)，發(fā)現(xiàn)網(wǎng)格3與網(wǎng)格4之間的傳熱系數(shù)相對(duì)誤差僅為0.8%。綜合考慮計(jì)算精度和計(jì)算成本，本文選擇網(wǎng)格3作為最終計(jì)算網(wǎng)格。

2.4 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

為驗(yàn)證數(shù)值模型的準(zhǔn)確性，本文開展了雙重驗(yàn)證工作。首先，采用空氣在之字形通道內(nèi)的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，建立與Kim實(shí)驗(yàn)完全相同的幾何模型并施加相同的邊界條件，模擬所得傳熱系數(shù)與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的最大誤差僅為12.2%。其次，采用Han的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，建立基于NACA改進(jìn)的新型翼型通道耦合換熱模型，采用含濕煙氣的變物性參數(shù)（煙氣和水的入口溫度分別為380K和333K），在不同質(zhì)量流量下?lián)Q熱量的最大誤差為9.35%。上述驗(yàn)證結(jié)果表明，本文所采用的數(shù)值計(jì)算方法是準(zhǔn)確且可靠的。

2.5 理論分析方法

水力直徑與參數(shù)獲取。由于翼型通道內(nèi)流動(dòng)截面形狀復(fù)雜多變，本文采用單元特征體積方法計(jì)算水力直徑。沿流體流動(dòng)方向等間距建立垂直于流動(dòng)方向的截面以獲取局部參數(shù)，整體參數(shù)由所有截面的局部參數(shù)平均所得。

場協(xié)同原理。場協(xié)同原理指出，對(duì)流換熱的強(qiáng)度不僅取決于速度和溫度梯度的大小，更取決于二者之間的協(xié)同程度。當(dāng)其他條件相同時(shí)，速度矢量與溫度梯度矢量之間的夾角——即場協(xié)同角α——越小，對(duì)流換熱Nu數(shù)越大。場協(xié)同數(shù)Fc是衡量速度場與溫度梯度場協(xié)同程度的無量綱參數(shù)，場協(xié)同數(shù)越大、場協(xié)同角越小，表明對(duì)流換熱性能越優(yōu)。本文通過計(jì)算不同傳熱結(jié)構(gòu)下的場協(xié)同角α和場協(xié)同數(shù)Fc，對(duì)比分析不同結(jié)構(gòu)中速度場與溫度梯度場的協(xié)同作用，從場協(xié)同的角度揭示不同結(jié)構(gòu)換熱性能差異的內(nèi)在機(jī)理。類似地，引入流動(dòng)協(xié)同數(shù)Eu和速度與主流速度梯度的協(xié)同角β，用于分析通道內(nèi)流動(dòng)阻力的變化規(guī)律。

熱力學(xué)第二定律分析。除從熱力學(xué)第一定律角度進(jìn)行能量守恒分析外，本文還基于熱力學(xué)第二定律，采用熵產(chǎn)數(shù)Ns作為衡量流動(dòng)換熱過程中不可逆損失的評(píng)價(jià)指標(biāo)。Ns綜合反映了傳熱溫差引起的熱傳導(dǎo)熵產(chǎn)和流體黏性耗散引起的流動(dòng)熵產(chǎn)，Ns越小表明系統(tǒng)的不可逆損失越小、熱力學(xué)性能越優(yōu)。

綜合強(qiáng)化因子。對(duì)于高效緊湊換熱器，壓降和傳熱效率是衡量其綜合性能的兩個(gè)核心指標(biāo)。本文采用綜合強(qiáng)化因子j/f^(1/3)對(duì)不同結(jié)構(gòu)下翼型翅片通道的綜合性能進(jìn)行比較，其中j為Colburn傳熱因子，f為范寧摩擦因子。該指標(biāo)在泵功率不變的條件下，綜合評(píng)價(jià)換熱器傳熱能力與流動(dòng)阻力的協(xié)調(diào)關(guān)系。

三、傳熱性能結(jié)果分析與討論

3.1 整體流動(dòng)傳熱性能分析

3.1.1 橫向間距對(duì)傳熱和阻力特性的影響

不同橫向間距La條件下Nu隨Re的變化規(guī)律表明，對(duì)于煙氣和水兩種工質(zhì)，Nu均隨Re的增加而單調(diào)增大，這是由于高雷諾數(shù)下湍流摻混加劇，邊界層減薄，對(duì)流傳熱系數(shù)隨之提高。然而，兩個(gè)工質(zhì)下Nu均隨橫向間距的增大而減小，且隨著La的增加，Nu的減小趨勢(shì)逐漸趨緩。以煙氣為工質(zhì)、Re=1500時(shí)，當(dāng)La從1.2mm增大至2.4mm，Nu的增量為4.9%；而當(dāng)La從4.8mm增大至6.0mm時(shí)，Nu的增量僅為0.5%。相同雷諾數(shù)下，以水為工質(zhì)時(shí)La從1.2mm增大至2.4mm，Nu的增量為15%，而當(dāng)La從4.8mm增大至6.0mm時(shí)，Nu的增量僅為2.4%。比較而言，在相同Re下La的變化對(duì)以水為工質(zhì)的Nu影響更為顯著。上述分析表明，減小橫向間距可有效提高PCHE的傳熱性能，且當(dāng)La小于4.8mm時(shí)，這種傳熱強(qiáng)化效果更為顯著。

不同橫向間距下PCHE的摩擦因子f隨Re的變化規(guī)律顯示，煙氣和水的f均隨Re的增大而減小，且減小趨勢(shì)隨Re的增大而逐漸放緩。與Nu的變化趨勢(shì)相反，隨著La的增大兩種工質(zhì)下的f均逐漸減小。當(dāng)La從1.2mm增大至2.4mm時(shí)，可顯著減小兩種工質(zhì)的流動(dòng)阻力，但當(dāng)La大于2.4mm時(shí)，La的變化對(duì)水工質(zhì)f的影響十分有限。以Re=1500為例，當(dāng)La從2.4mm增大至6.0mm時(shí)，水工質(zhì)f的減小量僅為3.2%，而相同工況下煙氣工質(zhì)f的減小量為12.3%。當(dāng)La大于4.8mm時(shí)，La變化對(duì)煙氣工質(zhì)f的影響才明顯減弱。總體而言，隨著橫向間距的增加，傳熱性能下降，而PCHE通道內(nèi)工質(zhì)的流動(dòng)性能提高。

綜合強(qiáng)化因子j/f^(1/3)隨Re的變化規(guī)律揭示了橫向間距對(duì)換熱器綜合性能的影響。在橫向間距相同的翼型通道內(nèi)，低雷諾數(shù)條件下的綜合換熱性能優(yōu)于高雷諾數(shù)條件。對(duì)于煙氣工質(zhì)，隨著橫向間距的增大，j/f^(1/3)呈現(xiàn)先增大后減小的變化趨勢(shì)，其峰值出現(xiàn)在La=2.4~3.6mm范圍內(nèi)。當(dāng)La小于2.4mm時(shí)，通道內(nèi)換熱性能雖有較大提升，但流動(dòng)阻力的增幅同樣十分顯著；當(dāng)La大于3.6mm時(shí)，雖然流動(dòng)阻力較小，但換熱性能不盡如人意。對(duì)于水工質(zhì)，j/f^(1/3)隨La的減小而單調(diào)增加，表明翅片橫向間距越小，PCHE的綜合性能越好。雖然減小翼型橫向間距會(huì)同時(shí)增大范寧摩擦因子和傳熱Nu數(shù)，但在泵運(yùn)行功率不變的情況下，PCHE的綜合性能仍然可以得到改善。

3.1.2 縱向間距對(duì)傳熱和阻力特性的影響

在不同縱向間距Lb條件下，兩種工質(zhì)的Nu均隨Re的增加而增大，且Nu均隨翅片縱向間距的增大而增大，但隨著Lb的進(jìn)一步增大，Nu的增加趨勢(shì)逐漸減緩。以煙氣工質(zhì)為例，當(dāng)Lb從7mm增至15mm時(shí)，傳熱系數(shù)并沒有出現(xiàn)大幅變化，表明此時(shí)翅片縱向間距的排列變化對(duì)流動(dòng)并未產(chǎn)生顯著影響。當(dāng)Re=1500時(shí)，縱向間距從7mm增大至15mm，傳熱系數(shù)減小了0.5%，但換熱通道的水力直徑增大了8.2%。因此可以認(rèn)為，當(dāng)Lb>7mm時(shí)，Nu隨Lb的增大而增大主要是由水力直徑增大引起的。值得注意的是，當(dāng)縱向間距增大時(shí)，雖然Nu數(shù)增大，但由于翅片數(shù)量減少導(dǎo)致有效換熱面積減小，換熱器的總換熱量并未增加。在Lb=4mm這種更為緊湊的翅片排列下，傳熱性能并未得到強(qiáng)化，說明當(dāng)縱向間距減小到一定程度后，會(huì)阻礙流動(dòng)和邊界層的正常發(fā)展，從而導(dǎo)致傳熱惡化。

當(dāng)橫向間距固定為4.2mm時(shí)，兩種工質(zhì)的f均隨Re的增大而減小，且減小趨勢(shì)隨Re增大而放緩。隨著Lb的增加，f均逐漸減小，但兩種工質(zhì)的變化趨勢(shì)有所不同。對(duì)于煙氣工質(zhì)，當(dāng)Lb從4mm增大至7mm時(shí)，范寧摩擦因子顯著減小，但當(dāng)Lb大于7mm后，縱向間距變化對(duì)f的影響較小。比較而言，當(dāng)工質(zhì)為水時(shí)，f隨Lb的變化更為均勻。

當(dāng)橫向間距為4.2mm時(shí)，綜合強(qiáng)化因子j/f^(1/3)隨Re的變化表明：無論煙氣還是水，當(dāng)Lb=15mm時(shí)j/f^(1/3)均達(dá)到最大值。這表明在所研究的縱向間距范圍內(nèi)，Lb=15mm時(shí)的綜合性能最優(yōu)，即在泵功率不變的情況下，翅片縱向間距為15mm時(shí)PCHE具有更好的傳熱性能。當(dāng)Lb=15mm時(shí)Nu最大，但這并未導(dǎo)致范寧摩擦因子的增大。因此，在翼型通道內(nèi)可考慮采用更加稀疏的縱向排列方案。

3.2 場協(xié)同分析與不可逆損失評(píng)價(jià)

3.2.1 傳熱場協(xié)同分析

由不同橫向間距和縱向間距下場協(xié)同數(shù)和場協(xié)同角的分布可知，當(dāng)橫向間距或縱向間距保持不變時(shí)，高雷諾數(shù)條件下的場協(xié)同數(shù)小于低雷諾數(shù)條件下的場協(xié)同數(shù)。在相同雷諾數(shù)和縱向間距下，翼型橫向間距越大，場協(xié)同數(shù)越小，場協(xié)同角越大。因此，在小橫向間距條件下，速度場與溫度梯度場具有更優(yōu)的協(xié)同性，這意味著通道內(nèi)具有更好的換熱性能。在不同縱向間距下，當(dāng)Lb=4mm時(shí)場協(xié)同數(shù)最小、場協(xié)同角最大；隨著Lb的增大，場協(xié)同數(shù)增大、場協(xié)同角減小。但值得注意的是，當(dāng)Lb>7mm時(shí)，場協(xié)同角和場協(xié)同數(shù)隨Lb的變化都非常緩慢。結(jié)合Nu數(shù)的分布規(guī)律可以發(fā)現(xiàn)，較大的Nu總是與更優(yōu)的場協(xié)同數(shù)相對(duì)應(yīng)，由此證實(shí)翼型通道內(nèi)的傳熱性能與速度場和溫度梯度場的協(xié)同性密切相關(guān)。

3.2.2 流動(dòng)場協(xié)同分析

從工質(zhì)為煙氣時(shí)不同橫向間距和縱向間距下流動(dòng)協(xié)同數(shù)Eu和協(xié)同角β的分布可知，翅片橫向間距越小，歐拉數(shù)越小，速度場與主流速度梯度場的協(xié)同角越大，表明較大橫向間距可獲得更小的壓降和更優(yōu)的水力性能。同樣，較大的縱向間距始終與較小的流動(dòng)協(xié)同數(shù)和較大的協(xié)同角相對(duì)應(yīng)，這與f隨橫向間距和縱向間距的變化規(guī)律一致。因此，翼型通道內(nèi)小橫向間距導(dǎo)致水力性能惡化的原因是速度場與主流速度梯度場之間協(xié)同性的減弱。在相同橫向和縱向間距下，隨著雷諾數(shù)的增大，流動(dòng)協(xié)同數(shù)減小，速度場與主流速度梯度場間的協(xié)同角增大，說明翼型通道內(nèi)煙氣的水力性能在低雷諾數(shù)條件下更優(yōu)。上述分析表明，即使是變物性煙氣在復(fù)雜通道內(nèi)的流動(dòng)，場協(xié)同原理仍然能夠?qū)ζ渲辛鲃?dòng)傳熱性能的內(nèi)在機(jī)理提供有力的解釋。

3.2.3 不可逆損失分析

基于熱力學(xué)第二定律的熵產(chǎn)數(shù)Ns分析進(jìn)一步揭示了不同結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)流動(dòng)換熱過程中不可逆損失的影響。Ns隨著通道內(nèi)Re的增大而增加。隨著橫向間距的增大，Ns逐漸減小，且變化幅度也隨之減小。當(dāng)Re=2100時(shí)，La從1.2mm增至2.4mm，Ns減少了80%；而La從4.8mm增至6.0mm，Ns僅減少了2.3%。同樣，隨著縱向間距的減小，Ns逐漸增大，且增長幅度也隨之增大。在較大的縱向間距下，總熵產(chǎn)的減小與綜合性能的提高相互對(duì)應(yīng)，因此較大的縱向間距可獲得較好的綜合性能及較小的不可逆損失。

3.3 局部流動(dòng)傳熱性能分析

3.3.1 局部傳熱系數(shù)分布

兩種工質(zhì)下，局部傳熱系數(shù)均沿流程方向逐漸減小。與整體Nu的分布規(guī)律相同，局部傳熱系數(shù)均隨橫向間距的增大而減小，且隨著橫向間距的增大，傳熱系數(shù)的變化率逐步減小。當(dāng)橫向間距為1.2mm時(shí)，可顯著增大局部對(duì)流換熱系數(shù)。

在縱向間距變化方面，兩種工質(zhì)的局部傳熱系數(shù)同樣沿流程逐漸減小。當(dāng)工質(zhì)為煙氣時(shí)，Lb=4mm時(shí)的傳熱系數(shù)最小，Lb為7mm和9mm時(shí)的傳熱系數(shù)最為接近，當(dāng)Lb大于9mm時(shí)傳熱系數(shù)隨縱向間距的增大而減小。當(dāng)工質(zhì)為水時(shí)，隨著縱向間距的增大，傳熱系數(shù)呈現(xiàn)先增大后減小的變化趨勢(shì)，當(dāng)Lb=7mm時(shí)局部傳熱系數(shù)達(dá)到最大。

3.3.2 速度與湍動(dòng)能分布

為更詳細(xì)地分析不同翅片分布通道內(nèi)流動(dòng)性能的差異，在相同Re條件下考察了速度場和湍動(dòng)能的變化規(guī)律。減小翅片橫向間距能夠顯著增大流體流動(dòng)速度，流速的增加導(dǎo)致二次流強(qiáng)度增大，進(jìn)而減薄速度邊界層，使流體傳熱效果增強(qiáng)。湍動(dòng)能是衡量湍流強(qiáng)度的重要指標(biāo)，與邊界層內(nèi)的動(dòng)量和能量轉(zhuǎn)換直接相關(guān)。隨著翅片橫向間距的增大，湍流動(dòng)能總體呈減小趨勢(shì)。當(dāng)La=2.4mm時(shí)的平均湍流動(dòng)能明顯大于La=4.8mm時(shí)的湍動(dòng)能。湍流動(dòng)能增大的區(qū)域主要集中在翅片尾翼部分，翅片橫向間距的減小強(qiáng)化了上下翅片尾流的混合，從而使尾翼部分的傳熱得到強(qiáng)化。

在相同橫向間距和Re條件下，減小翅片之間的縱向間距能夠增大流體流動(dòng)速度，有利于減小邊界層的發(fā)展從而強(qiáng)化傳熱。但當(dāng)Lb=4mm時(shí)，由于相鄰兩個(gè)翅片縱向間距過小，前一個(gè)翅片在尾部匯流形成的邊界層尚未充分發(fā)展、傳熱邊界層效應(yīng)尚未消除，便在下一個(gè)翅片前緣處發(fā)生撞擊和滯留，使得兩個(gè)翅片之間存在很長的邊界層區(qū)域，從而惡化了傳熱。與其他縱向間距下的湍流動(dòng)能分布不同，Lb=4mm時(shí)并未在尾翼匯流后形成湍流動(dòng)能增強(qiáng)區(qū)。比較而言，Lb大于4mm時(shí)，尾流后的湍流強(qiáng)化區(qū)則有利于傳熱系數(shù)的提高。

3.4 幾何參數(shù)影響權(quán)重分析

翼型通道內(nèi)幾何參數(shù)對(duì)PCHE流動(dòng)傳熱性能具有顯著影響。為揭示不同幾何因子的影響程度，指導(dǎo)后續(xù)通道結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)，本文通過正交實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)分析了無量綱間距因子ξa（橫向間距）與ξb（縱向間距）對(duì)PCHE換熱通道內(nèi)傳熱和壓降特性的影響權(quán)重。在正交實(shí)驗(yàn)的極差分析中，R值用于表征不同因素對(duì)結(jié)果的影響程度，R值越大，表明該因子對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的影響越大。

不同Re下無量綱間距因子對(duì)Nu和f影響程度的分析結(jié)果表明：當(dāng)以煙氣為工質(zhì)時(shí)，各Re下Nu的橫向間距R值均大于縱向間距R值；與Nu相反，f的縱向間距R值大于橫向間距R值。因此，對(duì)于煙氣工質(zhì)，橫向間距對(duì)PCHE的換熱性能影響更大，而縱向間距對(duì)PCHE的流動(dòng)性能影響更大。當(dāng)以水為工質(zhì)時(shí)，無論是Nu還是f，各Re下橫向間距的R值均大于縱向間距的R值，表明橫向間距對(duì)PCHE的流動(dòng)和換熱性能均具有更大的影響。由此可見，不同工質(zhì)條件下PCHE翼型通道內(nèi)幾何參數(shù)對(duì)傳熱和流動(dòng)的影響權(quán)重并不相同。在換熱器設(shè)計(jì)中，可基于正交實(shí)驗(yàn)結(jié)果針對(duì)性地調(diào)整某些影響權(quán)重較大的幾何因子，以滿足不同工作環(huán)境下的設(shè)計(jì)需求。

3.5 傳熱流動(dòng)經(jīng)驗(yàn)關(guān)聯(lián)式

目前，以煙氣和水為工質(zhì)在PCHE翼型通道內(nèi)的流動(dòng)換熱經(jīng)驗(yàn)關(guān)聯(lián)式較為匱乏，且多數(shù)現(xiàn)有關(guān)聯(lián)式未充分考慮翼型通道內(nèi)結(jié)構(gòu)參數(shù)及工質(zhì)物性變化的影響。為進(jìn)一步定量描述結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)Nu和f的影響并指導(dǎo)后續(xù)換熱器的優(yōu)化設(shè)計(jì)，本文基于大量數(shù)值模擬結(jié)果，采用最小二乘法分別擬合得到了煙氣和水的流動(dòng)傳熱經(jīng)驗(yàn)關(guān)聯(lián)式。這些關(guān)聯(lián)式以Nu和f分別作為因變量，以Re、Pr以及無量綱橫向間距ξa和無量綱縱向間距ξb為自變量，可有效反映翼型PCHE通道內(nèi)幾何參數(shù)與流動(dòng)換熱性能之間的定量關(guān)系，為工程設(shè)計(jì)和優(yōu)化提供可靠的計(jì)算工具。

四、換熱器內(nèi)流動(dòng)換熱特性分析總結(jié)

本文采用數(shù)值模擬方法，系統(tǒng)研究了高溫變物性煙氣和水在翼型印刷電路板式換熱器內(nèi)的流動(dòng)換熱特性，基于熱力學(xué)第一定律和熱力學(xué)第二定律，分析了橫向間距和縱向間距對(duì)PCHE綜合性能的影響，并結(jié)合場協(xié)同原理和熵產(chǎn)分析揭示了傳熱強(qiáng)化與不可逆損失的微觀機(jī)理，主要得到以下結(jié)論：

（1）橫向間距和縱向間距對(duì)PCHE流動(dòng)換熱性能的影響權(quán)重因工質(zhì)而異。當(dāng)工質(zhì)為高溫?zé)煔鈺r(shí)，橫向間距對(duì)PCHE的換熱性能影響更大，而縱向間距對(duì)流動(dòng)性能影響更大；當(dāng)工質(zhì)為水時(shí)，橫向間距對(duì)PCHE的流動(dòng)和換熱性能均具有主導(dǎo)影響。

（2）減小橫向間距可提高對(duì)流傳熱性能，但同時(shí)會(huì)增加流動(dòng)阻力。當(dāng)工質(zhì)為水時(shí)，PCHE的綜合性能隨橫向間距的減小而提升；當(dāng)工質(zhì)為煙氣時(shí)，橫向間距在2.4~3.6mm范圍內(nèi)可獲得最佳綜合性能。增大縱向間距可提高Nu數(shù)，但并未顯著提高整體換熱系數(shù)。兩種工質(zhì)下，PCHE的綜合性能均隨縱向間距的增大而提高。

（3）場協(xié)同分析表明，較好的傳熱性能與較大的場協(xié)同數(shù)和較小的速度-溫度梯度協(xié)同角相對(duì)應(yīng)；而流動(dòng)阻力增大則源于速度場與主流速度梯度場之間協(xié)同性的減弱。場協(xié)同原理對(duì)翼型通道內(nèi)的傳熱強(qiáng)化和阻力變化機(jī)理提供了有效的理論解釋。

（4）熵產(chǎn)數(shù)隨橫向間距和縱向間距的增大而減小。在較大的縱向間距下，可獲得較好的綜合性能和較小的不可逆損失，這表明優(yōu)化翅片布局可同時(shí)實(shí)現(xiàn)傳熱性能提升和能量品質(zhì)保存。

（5）不同橫向和縱向間距通過影響邊界層的發(fā)展歷程和湍流動(dòng)能的大小及分布，進(jìn)而影響PCHE的流動(dòng)換熱性能。合理的間距排布可有效抑制不利邊界層效應(yīng)，改善尾流區(qū)湍流強(qiáng)化效果，從而提高換熱器的綜合性能。

上述研究揭示了翼型PCHE通道內(nèi)幾何參數(shù)-流動(dòng)特征-傳熱性能之間的內(nèi)在關(guān)聯(lián)規(guī)律，可為燃?xì)廨啓C(jī)系統(tǒng)中翼型印刷電路板式換熱器的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供理論依據(jù)和技術(shù)支撐，對(duì)推動(dòng)高效緊湊式換熱器在先進(jìn)燃?xì)廨啓C(jī)循環(huán)中的工程應(yīng)用具有參考價(jià)值。

&注：文章內(nèi)使用的部分文字內(nèi)容來源網(wǎng)絡(luò)，部分圖片來源于《中國電機(jī)工程學(xué)報(bào)》，僅供參考使用，如侵權(quán)可聯(lián)系我們刪除，如需了解公司產(chǎn)品及商務(wù)合作，請(qǐng)與我們聯(lián)系！！

湖南泰德航空技術(shù)有限公司于2012年成立，多年來持續(xù)學(xué)習(xí)與創(chuàng)新，成長為行業(yè)內(nèi)有影響力的高新技術(shù)企業(yè)。公司聚焦高品質(zhì)航空航天流體控制元件及系統(tǒng)研發(fā)，深度布局航空航天、船舶兵器、低空經(jīng)濟(jì)等高科技領(lǐng)域，在航空航天燃/滑油泵、閥元件、流體控制系統(tǒng)及航空測試設(shè)備的研發(fā)上投入大量精力持續(xù)研發(fā)，為提升公司整體競爭力提供堅(jiān)實(shí)支撐。

公司總部位于長沙市雨花區(qū)同升街道匯金路877號(hào)，株洲市天元區(qū)動(dòng)力谷作為現(xiàn)代化生產(chǎn)基地，構(gòu)建起集研發(fā)、生產(chǎn)、檢測、測試于一體的全鏈條產(chǎn)業(yè)體系。經(jīng)過十余年穩(wěn)步發(fā)展，成功實(shí)現(xiàn)從貿(mào)易和航空非標(biāo)測試設(shè)備研制邁向航空航天發(fā)動(dòng)機(jī)、無人機(jī)、靶機(jī)、eVTOL等飛行器燃油、潤滑、冷卻系統(tǒng)的創(chuàng)新研發(fā)轉(zhuǎn)型，不斷提升技術(shù)實(shí)力。

公司已通過 GB/T 19001-2016/ISO 9001:2015質(zhì)量管理體系認(rèn)證，以嚴(yán)苛標(biāo)準(zhǔn)保障產(chǎn)品質(zhì)量。公司注重知識(shí)產(chǎn)權(quán)的保護(hù)和利用，積極申請(qǐng)發(fā)明專利、實(shí)用新型專利和軟著，目前累計(jì)獲得的知識(shí)產(chǎn)權(quán)已經(jīng)有10多項(xiàng)。湖南泰德航空以客戶需求為導(dǎo)向，積極拓展核心業(yè)務(wù)，與國內(nèi)頂尖科研單位達(dá)成深度戰(zhàn)略合作，整合優(yōu)勢(shì)資源，攻克多項(xiàng)技術(shù)難題，為進(jìn)一步的發(fā)展奠定堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

湖南泰德航空始終堅(jiān)持創(chuàng)新，建立健全供應(yīng)鏈和銷售服務(wù)體系、堅(jiān)持質(zhì)量管理的目標(biāo)，不斷提高自身核心競爭優(yōu)勢(shì)，為客戶提供更經(jīng)濟(jì)、更高效的飛行器動(dòng)力、潤滑、冷卻系統(tǒng)、測試系統(tǒng)等解決方案。