不同截面微通道中超临界氢流动与传热的数值研究

《International Journal of Hydrogen Energy》：Numerical investigation on flow and heat transfer of supercritical hydrogen in microchannels with different cross-sections

超临界氢在三种微通道（圆/三角/方）中的流动与传热特性研究表明：正方形通道综合性能最优（PEC=1.06-1.08，熵产最低），圆形通道Nu最高但摩擦损失大，三角形通道因角落回流导致传热效率下降。几何形状通过二次流增强传热贡献率约68%，需结合近临界物性变化优化设计。

　　

杜文海|杜健|李金璐|王国聪|陈俊林|梁世强|陈可

北京石油化工学院机械工程学院液态氢技术及应用重点实验室，北京，102617，中国

摘要

本研究通过数值模拟，研究了在固定水力直径（$D_h=1$毫米）、压力（2 MPa）和雷诺数范围（5.0 × 10³至1.2 × 10⁴）条件下，超临界氢（s-H₂）在圆形、等边三角形和方形微通道中的流动和传热特性。采用SST k-ω湍流模型和实际气体属性进行三维数值模拟。结果表明，方形通道获得了最高的性能评估指标（PEC = 1.06–1.08）和最低的归一化熵产生率（$S/S_0=1.71?1.99$）。虽然圆形通道的努塞尔数最高，但摩擦损失也最大。相比之下，三角形通道由于角部回流区的存在，传热性能显著下降。定量分析表明，几何效应，特别是二次流动混合，对对流效率的提升贡献了约68%，这在接近临界状态时尤为明显。因此，方形配置被认为是液化系统中s-H₂冷却的最佳选择。

引言

氢能作为一种清洁高效的二次能源，是未来能源格局的重要组成部分。然而，氢的储存、运输和冷却技术，尤其是在其低温液态和超临界状态下，仍面临重大挑战。超临界氢（s-H₂）在液化冷却系统中的流动和传热特性对系统性能和安全性至关重要，因此在微通道中研究这些特性——尤其是几何效应——具有重要的实际应用价值和理论意义[1]。接近临界点的流体表现出高度非线性的性质变化，可能导致传热性能下降，从而影响系统安全和效率[2]。因此，了解s-H₂在微通道中的流动和传热方式，以及几何形状如何影响这些流体性质，具有重要意义。

现有研究表明，微通道的截面形状显著影响流动和传热特性。不同几何形状（如圆形、矩形、方形和三角形通道）之间的传热性能与流动阻力之间存在权衡。超临界氢的独特流动特性意味着传统几何优化方法的有效性尚未得到充分验证。Tu等人[3]发现，对于不同微通道形状中的s-CO₂，截面几何形状对传热的影响大于压降，其中圆形通道的热性能最佳。Jiang等人[4]和Manda等人[5]分别报告称，三角形通道对碳氢燃料和s-CO₂具有更好的热性能和流动分布。Ding等人[6]发现，s-H₂在印刷电路板换热器（PCHE）通道中的流动和传热受到通道几何形状、流动方向和浮力效应的显著影响，尽管压降较高，但圆形通道的传热性能更好。Gunnasegaran等人[7]使用水分析了不同截面（矩形、梯形和三角形）的水热性能，发现水力直径较小的几何形状通常具有更好的传热性能。然而，这些发现基于性质相对恒定的流体。它们不能直接应用于超临界氢（s-H₂），因为其热物理性质（密度、比热、粘度）在接近临界点时会发生急剧的非线性变化。这些变化引入了复杂的变量性质效应，从根本上改变了传热增强与流动阻力之间的权衡，因此需要专门的研究。尽管许多研究探讨了不同几何形状对超临界流体的影响，但大多数研究并未在一致的超临界氢条件下进行。因此，最有效的几何形状仍不清楚。

基于熵产生原理和使用归一化j因子的性能评估方法，这些方法已成为理解传热增强与流动阻力之间权衡的有效工具，并有助于分离流体性质和几何形状的影响[[8], [9], [10]]。Kucuk等人[11]研究了在不同压力和温度下矩形截面同心弯曲环形管道中氢流的熵产生情况，发现流体流动引起的熵产生可以忽略不计，而传热引起的熵产生更为显著。Zhang等人[12]模拟了超临界CO₂在各种之字形通道中的热流体特性，观察到角部区域的回流减少了熵产生，而二次流动的产生则增加了熵产生。Jin等人[13]研究了超临界CO₂在之字形、波浪形和翼型鳍片通道配置中的流动和传热，使用熵产生数和j因子（Colburn j因子与摩擦因子的比率）比较了三种通道的综合性能，并建议在接近临界区域采用翼型通道。Salmanpour等人[14]提出用具有圆角的弯曲通道替代传统直通道以提升PCHE的性能。他们的研究表明，在45°倾斜角的特定几何配置下，甲烷通道内的熵产生可显著降低24.11%。Zhang等人[15]指出，两种相反流动之间的热不平衡导致熵产生增加，特别是在热容差异显著的情况下。

最近的研究越来越多地关注超临界流体在高度紧凑的换热器中的性能。例如，Yu等人[16]评估了低温储能系统中PCHE的热效率，强调了低温下热阻力的主导作用。Ding等人[6]进一步研究了氢预冷器中二次流动与性质变化之间的耦合，指出通道曲率显著影响局部传热系数。同样，Manda等人[5]表明非圆形截面可以有效管理压降，但可能在接近临界点时导致热分层。尽管取得了这些进展，但对不同截面几何形状中超临界氢行为的系统比较研究——结合第一定律（Nu, f）和第二定律（熵产生）分析——仍然很少。

目前，关于不同几何形状超临界氢的系统性比较研究相对较少，尤其是在统一的操作条件和多维综合评估框架下。缺乏关于几何结构与流体性质耦合效应的定量分析。本研究旨在通过数值模拟不同截面微通道中s-H₂的流动和传热特性来填补这一空白。使用三维RANS（SST k-ω）湍流模型和实际气体属性模型，分析了圆形、等边三角形和方形通道中的传热和流动阻力。建立了一个多维性能评估框架，包括Nu, f、PEC、熵产生和Colburn j因子。此外，通过熵产生分析定量分析了几何形状与性质对传热增强的贡献。这项比较分析在明确的条件下进行（$D_h=1$毫米，P = 2 MPa），以建立评估几何效应的明确基准。本研究的主要贡献如下：

(1)

本研究在相同的操作条件下，使用包括热性能（Nu, f）、综合性能（PEC）、热力学效率（熵产生）和归一化传热效率（j因子）的多维框架，系统地比较了圆形、等边三角形和方形微通道中超临界氢（s-H₂）的流动和传热特性。

(2)

它结合熵产生分析和Colburn j因子归一化，定量区分了接近临界性质变化和几何形状对传热增强的贡献，揭示了仅靠几何形状本身提供的增强效果有限。

(3)

在广泛的参数范围内进行的数值模拟表明，方形通道是s-H₂冷却的最佳配置，提供了最佳的传热-压降平衡（PEC）和有效的熵产生控制。提出的增强策略包括引入二次流动或仿生表面粗糙度，以进一步提高j因子，为氢液化系统中的高效PCHE设计提供指导。

为了验证这些发现，SST k-ω湍流模型与实验数据以及Fluent的Real-Gas-Nist模型进行了验证（对于ρ、c_p、λ、μ的最大偏差小于3.3% vs. NIST REFPROP 10.0），确保了流动和传热行为的准确捕捉。

部分摘录

物理模型和数值方法

本研究中使用的微通道的几何模型如图1所示。在主要冷却部分之前包含了一个100毫米的上游部分[17]，以确保入口处形成充分发展的湍流，从而最小化入口效应。主要冷却部分长200毫米，壁温恒定为40 K。所有通道的水力直径为1毫米。为了分析截面形状对s-H₂流动和传热的影响，选择了三种通道几何形状

物理现象描述

在本研究中，所有通道配置都在固定的水力直径（$D_h$ = 1毫米）下进行比较，以保持雷诺数定义和流动状态特征的一致性。然而，需要认识到，保持恒定的会导致不同几何形状的截面积和润湿周长的变化。这些变化可能会影响实际换热器设计中的质量流量和封装密度，应作为具体设计的一部分予以考虑

结论与建议

本研究通过RANS SST k-ω模型和实际气体属性模型，数值研究了超临界氢（s-H₂在圆形、等边三角形和方形微通道中的流动和传热行为，主要发现如下：

(1)

截面几何形状和雷诺数（Re）共同决定了热流体性能。Nu随着Re的增加而增加，这是由于湍流引起的热边界层变薄，而f减小。圆形通道具有最高的Nu（由于其薄的热边界层

CRediT作者贡献声明

杜文海：撰写——初稿，验证。杜健：研究。李金璐：资金获取。王国聪：方法论。陈俊林：撰写——审稿与编辑。梁世强：项目管理，形式分析。陈可：方法论。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的竞争性财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。

致谢

得到高端压缩机与系统技术国家重点实验室开放基金会的支持，编号为SKL-YSJ202407。