ATE: 用于高效热管理的波纹肋和倾斜针肋通道的集成设计

论文信息：

Natthaporn Kaewchoothong,Ye Min Oo,Sarawut Gonsrang,Ni-Asri Cheputeh,Integrated design of wavy-rib and inclined pin-fin channels for high-efficiency thermal management,Applied Thermal Engineering 296 (2026) 130754

论文链接：

https://doi.org/10.1016/j.applthermaleng.2026.130754

Part.1

研究背景

燃气轮机涡轮叶片入口温度持续提升，使叶片承受的热负荷远超材料极限，必须依赖内部冷却维持结构完整性。肋片与针肋作为两类典型的对流强化结构，分别通过分离再附着与尾迹掺混强化换热，但单一结构在进一步提升换热时往往面临压损急剧增加的问题。近年来，混合式冷却通道虽受到关注，但多数研究集中于性能对比，对肋诱导剪切层与针肋诱导涡系之间的耦合机制、涡结构在流向的持续性以及湍流生成的空间分布缺乏系统解析，导致在复合结构中难以建立基于物理机理的倾角优选准则。

Part.2

研究内容

本研究以燃气轮机叶片内部冷却通道为工程背景，围绕波浪形肋与倾斜针肋组合结构的热工水力特性展开数值分析。研究内容主要集中在揭示肋诱导剪切层与不同倾角针肋诱导涡系之间的耦合机制，明确涡结构在流向的演化规律及其对近壁动量输运与热边界层再生的影响，并在此基础上评估针肋倾角对综合热性能的作用规律。

图1. 具有肋片强化传热的燃气轮机叶片内部冷却结构。

研究首先构建了一个包含波浪形肋与圆柱形针肋的方形截面冷却通道。波浪形肋沿加热底面布置，其周期性曲率产生交替的加速与减速区域，形成分离与再附着循环，诱导出流向涡与近壁剪切层。针肋采用叉排布置，倾角相对流向定义为α，取值分别为45°、60°、75°与90°，以正交布置作为基准对照。通道入口雷诺数范围为10,000至50,000，涵盖燃气轮机内部冷却典型湍流工况。底面施加均匀热流边界，其余壁面绝热，以隔离肋-针组合结构对换热的净贡献，避免固体导热对对流机理的干扰。

图2. 用于增强传热性能的包含波纹肋扰流器和圆柱形针肋的混合冷却通道的三维计算域。

图3. 肋柱冷却通道数值模拟的边界条件。

在数值方法层面，研究采用稳态雷诺平均Navier-Stokes方程与realizable k-ε湍流模型，并配合增强壁面处理，以解析近壁速度与温度梯度。为验证模型适用性，研究分别对波浪形肋通道与针肋阵列进行独立验证，与文献中实验数据对比，realizable k-ε模型在分离区与尾迹区的预测精度优于标准k-ε、RNG k-ε与SST k-ω模型，平均偏差控制在5%以内。针对复合结构，研究开展网格无关性分析，采用约210万单元的精细网格，确保壁面无量纲距离y⁺在全域低于1.0，满足低雷诺数近壁分辨率要求，从而保证壁面剪切应力与热流预测的可靠性。

图3. 网格尺寸与巴彻勒长度尺度Δ/ηR的比值的等值线图。由于管道区域的轴对称性，对于每个旋转数Reτ=0-1，仅显示管道横截面的一半。

图4. 单个构型的模型验证:(a) 使用不同湍流模型对波纹肋通道的局部努塞尔数分布与实验数据的比较，以及(b) 针肋通道的努塞尔数随雷诺数的变化与文献结果的比较。

图5. 计算网格细节，显示关键区域的网格细化。

图6. 壁面平均努塞尔数随网格密度变化的网格敏感性分析。

研究内容的核心在于对涡结构演化与肋-针耦合机制的解析。通过三维流线、涡量场与Q准则的联合分析，研究发现针肋倾角显著改变涡系的生成位置、强度与流向持续性。在无针肋的波浪形肋通道中，分离发生在肋谷，再附着于肋峰，涡结构以流向涡为主，但涡量强度沿流向快速衰减，近壁与主流区动量交换有限。当针肋以90°正交布置时，针前形成强烈的马蹄涡，针侧与针后出现尾迹涡与回流区。该配置下局部涡强度显著提高，但涡系呈现高度局部化特征，马蹄涡与尾迹涡在数倍针径距离后迅速耗散，与波浪形肋诱导的剪切层之间缺乏有效耦合，使得换热增强主要局限于针前滞止区与针侧分离区，未能形成覆盖大面积端壁的持续强化。

图9. 混合冷却通道中的流场特性:针翅方向对二次流发展的影响。

当针肋倾角减小至75°时，流场结构发生明显重构。针肋倾斜使来流在针前形成非对称滞止区，部分流体沿针面向侧向偏转，引入显著的展向速度分量。这一偏转使针诱导涡系与肋诱导剪切层产生空间重叠与动量交换，马蹄涡的尾迹不再沿流向直线衰减，而是与肋后分离涡发生合并与拉伸，形成沿流向延展的相干结构。Q准则显示，75°配置下涡核长度显著增加，涡量衰减速率低于90°配置，涡系在多个肋周期内维持较高的旋转强度。流线分布进一步表明，高流速区沿针肋表面向肋谷延伸，主流动量被持续导入近壁区域，增强了壁面法向速度梯度。

图10. 涡度场说明了不同针肋取向角的波纹肋通道中的涡演变:(a)仅波纹肋，(b) 90°，(c) 75°，(d) 60°，和(e) 45°。

随着倾角进一步减小至60°与45°，涡系的耦合方式进一步变化。60°配置中，针诱导涡系与肋诱导剪切层在空间上更为对齐，涡系呈现多核心结构，但大尺度相干性减弱，湍流动能分布呈现多个局部峰值，表明涡系碎片化程度增加。45°配置中，针前滞止效应显著减弱，流场更趋近于剪切驱动模式，涡系以附壁流向涡为主，涡量强度整体低于75°与60°配置，但涡系在流向的衰减最为缓慢，换热增强主要来源于持续的近壁扫掠而非间歇性冲击。

图11. 不同针肋取向角下的流动结构、压力分布和局部传热增强。

研究进一步从温度场、湍流动能与壁面剪切应力分布三个角度分析不同倾角下的热输运特征。在无针肋通道中，温度场呈现周期性带状分布，肋峰附近温度较低，肋谷温度较高，反映热边界层在再附着区被破坏后于肋间区域重新增厚。湍流动能主要集中于肋后再附着区，壁面剪切应力分布间断性强，表明动量输运以局部的冲击与分离为主。90°针肋的引入在针前与针侧形成强湍流动能区，壁面剪切应力出现尖锐峰值，但高值区域局限于针肋周围，端壁下游区域恢复至低剪切状态，说明涡系的空间覆盖能力有限。

图12. 不同取向角针肋的波纹肋通道的归一化端壁温度分布。

图13. 波纹肋通道中湍动能分布和速度场随针肋取向角的变化。

在75°配置中，温度场的等温线分布更为均匀，高温区域明显压缩，端壁整体温差减小。湍流动能不仅峰值增强，更重要的是其空间覆盖范围显著扩大，高湍流动能区沿肋峰与肋谷连续分布，贯穿多个肋-针单元。壁面剪切应力不再呈现孤立峰值，而是在端壁形成大范围高值区，表明涡系诱导的动量输运从点状冲击转变为面状扫掠。60°与45°配置的湍流动能覆盖范围虽仍较宽，但峰值强度略低于75°，壁面剪切应力的连续性有所减弱，反映涡系耦合强度的降低。

图14. 不同针肋取向角的波纹肋-针肋通道中的壁面剪应力分布。

在换热性能方面，研究通过面积平均Nusselt数及其与光滑通道的比值定量评估各配置的传热增强效果。结果显示，在所有雷诺数下，75°配置均获得最高的平均Nusselt数。相较于无针肋通道，75°配置的Nusselt数最大提升达10.53%；相较于90°、60°与45°配置，分别提升2.17%、5.20%与11.46%。随雷诺数增加，各配置的绝对Nusselt数均上升，但相对增强比呈下降趋势，表明在高惯性条件下，主流动量占主导，几何结构诱导的二次流贡献相对减弱。

图15. 不同针肋取向角的波纹肋-针肋通道中的努塞尔数比分布。

研究还分析了Nusselt数的端壁分布，以揭示不同倾角下换热增强的空间特征。无针肋配置的高换热区局限于肋峰再附着带，肋谷区域换热较弱。90°配置在针前与针侧形成高换热斑点，但斑点之间由低换热区隔开，换热分布不均匀。75°配置中，高换热区从针前延展至针后，并沿肋峰与肋谷连续分布，形成覆盖端壁大范围的换热增强带，说明涡系的流向持续性与展向扩展能力共同促进了换热均匀化。60°与45°配置的高换热区虽仍较宽，但出现间断与碎片化，整体均匀性不及75°。

图16. 不同针肋取向角的波纹肋-针肋通道中面积平均努塞尔数比的比较，如图所示:(a)二维和(b)三维。

在流动阻力方面，研究计算了摩擦因子比，以表征不同倾角下的压损代价。90°配置因其最大投影面积，产生最强的滞止与尾迹分离，摩擦因子比最高，相较于无针肋、75°、60°与45°配置分别高出24.43%、3.00%、2.71%与7.13%。倾斜配置通过将部分流动阻力由法向转为沿程，降低了形阻。其中75°配置在压损与换热之间取得较好平衡。

图18. 不同销钉翅片取向角的波浪形肋条 - 销钉翅片通道中摩擦系数比的比较，如图所示:(a) 二维和 (b) 三维。

研究进一步引入综合热性能因子η，该参数同时考虑换热增强与压损代价，用于评估等泵功条件下的净收益。结果表明，在所有雷诺数下，75°配置的η值最高，相较于无针肋、90°、60°与45°配置分别提升2.77%、3.16%、5.29%与10.21%。随雷诺数增加，所有配置的η均呈下降趋势，但75°配置始终保持优势，说明其在涡系耦合与压损控制之间的折衷最为合理。

图19. 不同销钉翅片取向角的波浪形肋条 - 销钉翅片通道中热性能的比较，如图所示:(a) 二维和 (b) 三维。

基于数值结果，研究通过回归分析建立了面积平均Nusselt数与摩擦因子的经验关联式，拟合优度分别达到0.9864与0.9894。关联式在Re为10,000至50,000、α为45°至90°范围内有效，最大偏差分别为±9.14%与±3.27%，可用于工程初步评估。

图 21. 不同针肋取向角下波浪形肋针肋通道摩擦系数结果与相关性预测的比较 :(a) 二维和 (b) 三维。

研究最后将75°倾斜针肋与波浪形肋组合的换热性能与文献中代表性被动强化结构进行对比，包括菱形针肋、肋-针混合结构及V形肋等。结果表明，本研究所提结构在中等摩擦因子范围内实现了较高的综合热性能，表明其优势在于通过流场重定向与涡系持续性实现换热增强，而非单纯依靠增大滞止损失。

图22. 各种被动传热强化技术的热-水力性能(η)与摩擦系数比(f/fo)的比较。

Part.3

研究总结

综上所述，本研究通过数值模拟揭示了波浪形肋与倾斜针肋组合通道中肋诱导剪切层与针诱导涡系的耦合机制。针肋倾角显著影响涡结构的生成位置、强度与流向持续性，其中75°倾角使针诱导涡系与肋后分离涡形成空间重叠与动量交换，产生沿流向延展的相干结构，延缓涡量衰减，扩展湍流动能与壁面剪切应力的空间覆盖范围。该配置下面积平均Nusselt数较无针肋通道提升10.53%，综合热性能因子在所有倾角中最高，表明其实现了涡系耦合强度与压力损失之间的最优平衡。换热增强的主导机制随倾角从滞止冲击转向持续涡系扫掠，为混合式冷却通道的倾角优选提供了基于流动物理的依据。

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