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基于大涡模拟的波纹面传热与流动特性深度剖析

一、引言

1.1研究背景与意义

能源，作为推动国家经济发展的核心动力，其安全问题至关重要，是关乎国家战略安全的关键要素。中国经济在转型升级进程中，遭遇了严峻的能源瓶颈，亟待优化能源结构，掀起一场深刻的能源革命。从国际视角看，全球经济的持续高速发展，使得能源供需矛盾日益尖锐，煤炭、石油、天然气等传统能源短缺问题愈发突出。据统计，全球终端能源消费量从1973年到2011年大幅增长了90.8%，一次能源生产总量同期增长114.7%。专家预测，按当前的能源消耗速度，石油、天然气仅能维持不到半个世纪，煤炭也只能支撑一二百年。在能源消费结构中，全球主要依赖化石资源，中国以煤炭为主，多数其他国家则以石油和天然气为主。尽管科技进步拓展了资源利用前景，新能源不断涌现，但能源生产力提升与消费猛增的矛盾依旧突出，新能源利用也面临诸多技术局限。在此背景下，各国围绕能源展开了激烈的竞争与博弈，地缘政治冲突不断，能源安全形势愈发严峻。

在众多工业领域，如化工、石油、动力、航空航天以及核能等，换热和流动问题广泛存在。提高流体机械工作效率、增强热交换效率、降低能源消耗，一直是人类不懈追求的目标。在流动减阻方面，自然界的流动分为层流和湍流，层流流动控制策略已相当成熟，而湍流流动，尤其是高雷诺数下的紊流，因其物理参数的复杂变化，成为研究热点。减少输送过程中的摩擦阻力，是节约能源的重要途径，为此人们研发了多种减阻技术，包括沟槽减阻、聚合物减阻、气幕减阻等。这些技术从不同角度出发，旨在降低输运过程的流动阻力，对于节约能源、降低成本具有重要意义。同时，许多动物的特殊本领，如陆地动物的钻地、水生动物的快速游行、鸟类的迅速飞行等，启发人们对仿生超光滑表面进行研究。这些生物表面的特殊结构能够减小阻力，为减阻技术的发展提供了新的思路。例如，海豚皮肤的特殊结构使其在水中游动时的表面摩擦阻力很小；沙滩上的波纹形成机制，也为研究流动减阻提供了一定的参考。

从传热角度而言，随着社会生产和科技的飞速发展，强化传热技术取得了显著进步。影响流体换热的因素众多，包括流体流动起因、有无相变、运动状态、表面几何形状以及物理性质等。为了提高换热效率，人们将对流换热强化方法分为无功技术（无源技术）和有功技术（有源技术）。无功技术无需额外动力支持，仅依靠输送传热介质的功耗；有功技术则依赖外界机械力或电磁力。复合式强化传热技术将两者结合，发挥更大的优势。在工程应用中，被动式强化技术如表面处理、粗糙度处理、添加颗粒和扰流体等较为常见；主动式技术包括机械搅动、表面振动、流体振动、电磁场以及喷注或吸出等。在实际工程设备和输运管道中，由于材料性能的限制，常常需要通过改变设备内部结构布局来改善换热情况。比如，通过设置涡流发生器扰动流动，从而提高换热量，许多学者对此进行了大量深入研究。

波纹面传热器在汽车发动机、核反应堆内部传热以及空气调节等领域有着广泛的应用。在汽车发动机中，它能有效帮助散热，确保发动机在适宜的温度下工作，提高发动机的性能和可靠性；在核反应堆中，对于保障核反应的安全稳定运行起着关键作用，高效的传热性能有助于及时带走反应堆产生的大量热量；在空气调节系统里，能够实现更高效的热量交换，提升空气调节的效果和能源利用效率。研究波纹面传热器的传热与流动特性，对于优化其性能、提高传热效率、减少能源损失意义重大。采用大涡模拟方法，能够捕捉到与涡旋涡粘层相比规模较大的涡旋结构，尤其适用于高雷诺数下的湍流流动研究，为深入探究波纹面传热器的特性提供了有力手段。通过对其传热与流动特性的研究，可以为波纹面传热器的设计优化提供坚实的理论依据，提高能源利用效率，降低能源消耗，符合当前全球对能源高效利用和可持续发展的需求。

1.2国内外研究现状

在波纹面传热与流动特性的研究领域，国内外学者开展了大量工作，并取得了一系列成果。在国外，J.Jeon、J.Koo和K.S.Kim在“Numericalinvestigationofheattransferandresistancecharacteristicsinthewavychannelusingthelargeeddysimulation”一文中，运用大涡模拟方法对波纹通道内的传热和阻力特性进行了数值研究，分析了不同参数对传热和阻力的影响。J.Kim、J.H.Kim和C.H.Kim在“Largeeddysimulationofturbulentheattransferinaribbedchannel”中，针对带肋通道内的湍流传热进行大涡模拟，研究了通道结构对传热的作用机制。这些研究为理解波纹面传热与流动特性提供了重要的理论和数据支