对MWCNT（单壁碳纳米管）增强型纳米流体在螺旋换热器中改善热管理效果的评估

《South African Journal of Chemical Engineering》：An assessment of how MWCNT-enhanced nanofluids improve thermal management in spiral heat exchangers

　　Walaa Nasser Abbas | Rassol Hamed Rasheed | Mariam E. Murad | Mujtaba A. Flayyih | Pooya Pasha
卡尔巴拉大学，工程学院，石油工程系

**摘要**
本研究分析了一种高功率电感器的热性能，该电感器采用螺旋形铜管作为电气绕组和内部液体冷却通道。通过有限元分析（FEA）获得了4.8 kW、50 kHz升压转换器中的电磁损耗，并将其作为非均匀体积热源应用于三维计算流体动力学（CFD）模型中，使用的是Ansys Fluent（有限体积法）。评估了纯水和多壁碳纳米管（MWCNT）纳米流体在管内循环时的传热和流动行为。结果表明，MWCNT纳米流体增强了沿线圈的对流传热，使峰值传热系数（HTC）提高到约1.9–2.0 kW/m2·K，并降低了绕组和出口的温度。在5,000 W/m3的代表性热负荷下，电感器在一小时后达到约70°C的稳态温度。相变材料（PCM）模型进一步展示了改进的瞬态热缓冲效果。所提出的紧凑型管导体电感器将电气绕组与内部液体冷却集成在一起，通过完全耦合的电磁-CFD分析以及MWCNT纳米流体和PCM基础的热缓冲技术进行建模。这种冷却方案为高频磁组件提供了一种高效且紧凑的解决方案。

**1. 引言**
作者提出研究和分析一种用于高功率和高频率电路磁部件中的独特绕组导体结构（Samarmad和Jaffal，2023；Rashid等人，2025）。螺旋管设计使用多壁碳纳米管（MWCNT）作为管内的液体。由于直流（DC）电能被广泛应用于可再生能源、电动汽车和DC电力传输等各种系统中，因此在这些应用中集成DC-DC功率转换至关重要。这允许高效地传输和利用DC电能。碳纳米管表现出独特的机械、电气和热性能组合（Rashid等人，2025）。其中，多壁碳纳米管（MWCNT）由于其出色的机械和电气特性而目前大量生产（Sohrabi等人，2024）。MWCNT是具有预定功能的纳米材料，因此在工业上有用的微米级石墨纤维和分子级富勒烯之间形成了重要的桥梁（Karouei等人，2025）。DC电能（Yasa，2023）对于可再生能源、电力传输和电动汽车等各种系统至关重要（Jagadeesh和Indragandhi，2023）。为了确保平稳运行，经常采用DC-DC功率转换（Dworakowski等人，2023）。这一关键过程确保了这些应用中的适当能量转换和利用。在DC-DC功率转换中（Xiao等人，2023），常用的方法是使用一个或多个半导体开关、快速二极管和无源电路组件。这种转换通过高频开关技术实现，如参考文献中所提到的（Zhu等人，2023；Nahin等人，2022；Gangula等人，2023）。近年来，掺杂半导体技术取得了显著进展，特别是在碳化硅（SiC）和氮化镓（GaN）功率开关方面（M?nch等人，2023；Huang等人，2023）。在使用DC-DC功率转换器的电路中，电感器在影响效率、温度和电磁特性等各种因素方面起着重要作用（Chavva和Raja，2023）。因此，电感器电流中存在高频组件会导致核心和绕组的损耗增加，需要使用更强大的冷却系统来保持最佳性能（Bhagat等人，2023）。使用铁氧体或粉末芯材料有助于减少电感器核心内的温度升高。这些芯材料具有低比核心损耗，使其非常适合高频应用（Martins等人，2022；Xi等人，2023；Far等人，2023）。许多文献讨论了在高功率和高频率应用中使用水或其他流体进行冷却技术。这种方法具有多种优势，包括空间效率、降低热管理成本以及潜在地降低电动汽车充电站的操作成本（Turki等人，2023；Zhou等人，2023；Alizadeh等人，2023；Dong等人，2023；Balci，2019；Jasim等人，2024；Modi等人，2025）。

Khader等人（Khader等人，2025）采用切比雪夫谱配置方法研究了在受对流加热的拉伸片上的MHD纳米流体流动，考虑了热辐射、粘性耗散、布朗运动和热泳效应。Khader等人（Khader等人，2024）采用切比雪夫谱配置方法研究了嵌入在达西多孔介质中的非线性拉伸片上的MHD Williamson纳米流体流动，考虑了温度依赖的粘度和热导率。Khader和Adel（Khader和Adel，2022）实施了谱松弛方法研究了在热生成和粘性耗散影响下的MHD Casson和Williamson纳米流体模型。他们的结果表明，尽管两种模型都表现出剪切稀化行为，但努塞尔数对磁场和Williamson参数等关键参数的响应有所不同。Adel等人（Waghmare和Sadaale，2024；Ajeeb和Murshed，2022；Adel等人，2024年6月18日）应用了Adomian分解方法（ADM）获得了在受对流加热的拉伸片上的MHD纳米流体流动的近似解，考虑了热辐射、粘性耗散、布朗运动和热泳效应。

本文旨在探索和分析用于高功率、高频率电路磁组件中的管导体电感器的独特绕组结构。研究重点是将多壁碳纳米管（MWCNT）作为螺旋管内的工作流体。这项工作的新颖之处在于通过分析Navier-Stokes（NS）方程和热方程来研究努塞尔数（Nu）和普朗特数（Pr）的变化，以及观察管道周围摩擦系数的变化。虽然液体冷却、纳米流体增强和基于相变材料（PCM）的热缓冲已经得到了广泛研究，但大多数先前的研究都是孤立考虑这些策略的，并依赖于简化的热表示——通常假设均匀的损耗分布或直线、理想化的冷却通道。现有的与电感器相关的研究通常使用外部冷却夹套或辅助通道，而不是将冷却路径嵌入绕组本身，从而忽略了空间变化的电磁损耗、螺旋通道流动动力学和瞬态热存储的耦合效应。此外，实际管导体几何形状中由曲率驱动的次级涡旋的作用以及MWCNT纳米流体与PCM稳定性的综合性能仍然很大程度上未被探索。作为回应，本研究引入了一个完全集成的电磁-计算流体动力学（CFD）-PCM建模框架，用于实际的4.8 kW、50 kHz螺旋管导体电感器，能够在真实的转换器工作条件下高保真地预测非均匀热生成、对流增强和长时间热调节。

我们的研究表明，使用0.1%的MWCNT纳米流体时，对流传热显著增强。具体来说，在相同的流动和热条件下，我们观察到平均对流传热系数比纯水提高了25%。这一显著改进超过了之前在其他设置中记录的类似纳米流体的通常10-15%的增益（Balci，2019），表明我们的螺旋线圈配置促进了更高效的热传递过程。虽然最近的研究（如Waghmare和Sadaale，2024；Ajeeb和Murshed，2022）已经探索了用于变压器等磁组件的纳米流体冷却，但本研究提出了一个独特的进展。我们的研究新颖之处在于：
• 对具有集成螺旋液体冷却通道的高功率螺旋电感器的瞬态和稳态热性能进行了重点研究。
• 系统地评估了多壁碳纳米管（MWCNT）纳米流体作为比纯水更优的传热介质，证明了在对流传热系数方面的定量性能提升，超过了Balci在变压器研究中报道的金属氧化物纳米流体的性能。
• 对具有集成冷却的电感器的设计和热管理提供了实用的见解，提供了明确的性能比较，并展示了改进的热管理和提高功率密度的潜力。

**2. 问题定义**
为了使直流（DC）电流在整个导体表面顺畅流动，重要的是要最小化任何干扰或电流波动。然而，在使用高频开关的情况下，电流在导体中心和其表面之间的流动受到一个称为趋肤系数的参数的影响。该参数决定了电流在导体表面的分布。当导体上的电流密度不均匀时，会导致通过导体的电流利用效率降低。结果，导体的有效横截面积减小。这种面积的减少导致电感器绕组的损耗比最初预期的要高。在更高频率下，趋肤效应和相应的交流电阻增加限制了使用标准AWG电感器线圈的固体导体。考虑到高频电流波通过电感器绕组时造成的额外损耗是必要的。这些损耗可能会影响运行过程中的绕组温度。图1展示了用于评估电容器管冷却效率的冷却参数和趋肤摩擦系数值。此外，还确定了管内旋转纳米流体的有效性。这些计算特别适用于高功率和高频率应用。实施了相变材料（PCM）模型来评估瞬态热缓冲。PCM（例如，RT60石蜡，熔点范围为58–62°C，潜热为220 kJ/kg，热导率为0.24 W/(m·K)）被封装在螺旋管结构内液体冷却通道周围的环形区域内。Ansys Fluent中的验证焓-孔隙度公式可以捕捉熔化和固化过程。结果表明，在瞬态热负荷下，温度超调减少且稳态上升延迟。

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**图1.** 文章的几何结构视图。

简单来说，这种比较是使用模拟电磁现象的特殊软件进行的。一个100 A的直流电流以及一个50 kHz频率的20 A电流波被施加到一个专门为电力电子转换器设计的电感器上。通过考虑高频情况下的趋肤深度，可以计算出铜管的适当壁厚。在这种情况下，已经移除了实心AWG导体和非导电内部组件（不受趋肤效应影响），因此可以实现整个管导体横截面的电流密度均匀分布。使用方程（1）来修改AWG导体的电阻值：
(1)
Rdc = lwmNπσ(d02 ? di2)
其中r是导电材料的电阻，do和di是管导体的外径和内径，lw是管的长度，m是线圈的层数，N是线圈的匝数。如图2和图3所示，如果将外径和内径之间的差值视为电流的等效导体厚度（壁厚），则可以根据Dowell项得到（Rac）的值：
(2)
Rac = lwδσdwmN[ε1 + ?w223(m2 ? 1)ε2]

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**图2.** a. DC-DC升压转换器的电路图；b. 电感器的有限元模型。

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**图3.** 含有50 kHz纹波成分的电感器电流剖面。

简单来说，不同频率下的趋肤深度比决定了导体的有效厚度。可以使用方程（3）找到这个厚度。具体来说，导体厚度等于管道导体外径与内径差的一半，表示为 dw = (do - di)/2。(3)Δ=dwδ 皮肤效应的程度可以通过调整绕组与核心区域的比率来改变。(4)Δ′=?wΔ 其中，δ 是皮肤效应率，dw 是管道导体的壁厚（皮肤深度），ε1 和 ε2 分别是壳层效应和邻近效应的系数。Δ 和 Δ’ 是线圈中的有效深度比和校正后的有效深度比。此外，诸如电容器层厚度和内表面积等机械特性在确定系统的加热和冷却响应方面起着重要作用。因此，绕组高度 (hw) 与核心窗口高度 (C) 的连接比率 (?w) 可以通过方程 (5) 得出。2.1. 热传递研究 从基本原理上讲，物体之间的热传递可以通过三种主要过程发生：传导、对流和辐射。在从固体中移除热量以实现冷却时，可以选择使用空气或液-液对流过程。在对流条件下，热传递系数通常设定在 5–6 W/m·K 的范围内（Bhagat 等人，2023 年）。因此，强制空气对流在热传递方面具有大约 200 W/m·K 的冷却能力。然而，如果选择液体冷却过程，冷却能力可以显著提高，达到约 1800 W/m·K。因此，使用液体进行冷却比强制空气对流具有更大的能力。液体冷却特别适用于冷却电气密封系统、电机和电力电子电路组件。在考虑电感器和变压器中的自然对流并确定核心热点（称为 THS）的最大温度时，可以使用基于外边缘长度（特别是矩形截面中的最小长度）的一维模型来定义核心。推导的目标是使用图 2 中描绘的电感器几何形状来计算核心热点温度 (THS)。Hoffmann 和 Pippenbrier 使用液冷导体轮廓进行了简化实验以验证他们的模型。在他们的实验中，他们使用了管状导体。为了全面了解冷却系统的工作原理以及这些实际测试中的核心和导体损耗，通过测量皮肤效应和邻近效应对其性能的影响，收集了原型变压器的数据。或者，利用有限元分析（FEA）软件，可以在原型阶段之前进行计算流体动力学（CFD）分析。这使得能够评估系统的冷却性能。在方程 (6) - (8) 中，一些公式可以帮助您根据绕组数量、开关频率和热流密度确定热点温度。通过使用特定材料的最佳绕组数量，可以相应地调整温度。热传递系数 (kf*) 在这些计算中起作用，如参考文献 17 和 18 中所述。(5)THS*(x=dk)=Tw*+∫0dkPvc*xλdx(6)Tw*=Ta*+Pvc*dkkf*(7)THS*=Ta*+Pvc*dk(1kf*+dk2λ*) 热约束设置了允许的最大绕组数量，这由管道导体冷却布置中的液体流速上限 (Vliquid) 决定，如方程 (8) 所述。(8)Vliquied=Pcond*(Nmax*J)Cth*ρ*ΔTPcond* 是导热损失，Cth* 是体积比热容，ρ* 是液体材料的密度，DT 是液体冷却剂的最大温差 (Tw*-Tf*)。设备的最大功率损失和总质量可以表示为最佳绕组数量 N_"max" ^* 的函数。以下部分中介绍的方程是根据实验数据推导出来的，专门为使用计算流体动力学（CFD）软件对管道导体进行 3D 建模而设计的。管道导体内的液体流速是一个重要变量，必须准确定义特定参数。在冷却系统的背景下，使用 Fluent 等软件时，液体材料的流动速度至关重要。在处理高功率电感器及其效率时，需要注意的是，随着绕组数量的增加，效率往往会降低。这是因为绕组本身产生的损耗变得更加显著。通过扩大电感器，线圈窗口也会变大。结果，核心尺寸增加，从而减少了导体损耗并提高了效率。此外，调整绕组数量 N 会影响核心的截面积、垂直尺寸和绕组排列。因此，选择了 EE1006028 核心，并使用 20 匝的管状导体提供了所需的 100 μH 电感。Fluent 软件为壁导体设置了温度边界条件。为了确定从液体材料或流体到壁的热流 (qcoil)，使用方程 (10) 进行计算。(9)qcoil=kf*(TW*?Tf*)+qrad 其中 kf* 是流体的热传递系数，TW* 是壁表面温度，Tf* 是局部流体温度，qrad 是辐射热指数。研究重点评估了流经集成到线圈中的管道导体的液体的冷却行为。核心内的热源没有被考虑；仅使用 CFD 模拟了管道导体的冷却。在某些情况下，可以将液体冷却系统（称为液体散热器）应用于核心进行冷却。然而，本研究仅关注管道导体的使用。这些管道导体设计用于与高频电感器一起工作，确保低交流电阻和高效的液体冷却。2.2. 通过 CFD 分析评估液体冷却性能 3D CFD 结果和计算出的雷诺数表明，管道导体内的液体流动处于层流或慢流状态。此外，分析假设液体是不可压缩的，保持稳定的三维流场，并表现出特定的热物理性质。(10)q=kf*(?T*?n)wall 在参考方程 (Far 等人，2023 年) 中，变量 'n' 表示垂直于壁的局部坐标。为了纳入三维坐标系，这个方程可以进一步展开。当考虑所有假设时，液体冷却的三维计算流体动力学（CFD）方程可以概括为方程 (11)。(11)?(P*u*)?x+?(P*v*)?y+?(P*w*)?z=0 这里，P* 是帕斯卡（Pa）中的压力。u*、v* 和 w* 分别是 x、y 和 z 轴上的液体流速。因此，可以根据流体流动情况按照方程 (13) 进行 CFD 仿真。(12)?(ρ*cp*u*T*)?x+?(ρ*cp*v*T*)?y+?(ρ*cp*w*T*)?z=??x(kf*?T*?x)+??y(kf*?T*?y)+??z(kf*?T*?z) 在这个方程中，cp* 是瓦特/米开尔文（W/mK）中的比热容，q 是固体和液体材料的千克每立方米密度，T* 是开尔文（K）中的温度。在为高功率、高频电感器线圈建模液冷管状导体时，分析依赖于以下假设：在设计高功率、高频电感器线圈的液冷管状导体模型时，我们考虑了以下假设：对于电感器线圈，铜管通常是首选。这些管状导体以其出色的导热性而闻名，并在各种工业领域广泛用于提高冷却效果和有效管理热条件。1. 我们液冷管状导体模型中电感器线圈的首选是铜管。这些铜管以其卓越的导热性而闻名，并在各种工业领域广泛用于实现高效冷却和有效热管理。2. 由于电感器核心的能量耗散非常低，因此忽略了其温度升高。3. 由于其中的绕组损耗很小，因此忽略了核心的温度升高。然而，需要注意的是，接近临界点可能导致温度突然显著升高。4. 表 2 提供了一种特别推荐的液体材料作为该系统的冷却剂。5. 进行了 CFD 分析，以研究使用 MWCNT 纳米管作为相变冷却剂的潜力。•制备方法：通过超声波将碳纳米管分散在基础流体中制备 MWCNT 纳米流体，可能添加表面活性剂以提高稳定性。•体积分数：MWCNT 纳米流体的体积分数在 0.1% 到 2% 之间。•流变模型：在所使用的体积分数下，MWCNT 纳米流体表现出牛顿行为。2.3. 用于模拟 PCM 热和相变行为的控制方程组 相变材料（PCM）的控制方程如下所示，它作为管内的被动导热热管理机制。方程 (14)–(16) 分别代表连续性、动量和能量公式。简单来说，这些方程有助于根据液体流动速率和管道的导热性计算所需的冷却功率。(13)?ρ*?t+?.(ρ*V→*)=0(14)ρ?V→*?t+ρ*(V→*.?)V→*+?P*?μ*?2V→*?ρ*β*g→*(T*?Tref*)?S*=0(15)??t(ρ*H*)+?.(ρ*V→*H*)??.(Kc*?T*)=0 其中 ρ* 是液体物质的密度，V* 是液体物质的速度矢量，P* 是压力，μ* 是动态粘度，b 是液体物质的热膨胀系数，g 是重力矢量。Tref* 是参考温度，S* 是动量项，Kc* 是导热系数。这种焓-孔隙度方法解决了相变问题。液体分数 c 用于表示固液 PCM 相。焓 h 由以下方程定义：(16)H=href*+∫Tref*T*Cpcm*dT*+γ*L* 其中 href* 是参考温度下的焓，L* 是 PCM 的潜热，Cpcm* 是液体分数。方程 (17) 中提到的 Re 数定义了流动通道中纳米管冷却剂的特性。这是一种量化和描述冷却剂行为的方法。(17)Re=ρ*v*d*μ* 其中 q 是流体的密度，v 是通道内的平均速度，d 是管道导体的水力直径。施加了 10 L/min 的恒定流速，导致通道入口速度为 0.15 m/s 和相应的雷诺数为 511，表明为层流（Khader 等人，2025 年）。3. 热边界条件和应用的热源 使用 Ansys-Electronics 软件进行调查后，确定了一个具有 20 匝、携带 100 A 直流电流且在 DC-DC 提升电感器中带有 50 kHz 波动的液冷管道导体的热源大约为 500 W/m3。在数值 FEA 方法中，电感器核心和线圈的热功率损失对应于管道导体的体积热源率为 500 W/m3。该模型假设环境温度作为边界条件，大约为 25°C。还假设 PCM 从环境温度开始，相同的温度也用作流经管道导体的流体的入口条件。纳米流体的行为高度依赖于浓度、颗粒聚集和温度等因素。在这项研究中，使用单相均匀模型进行计算流体动力学（CFD）模拟以模拟反应器内的热传递。选择此模型的基于以下考虑：1. 低纳米颗粒体积分数：本研究中使用的 MWCNT 纳米流体的体积分数相对较低，大约为 [0.5% 或 1%] 体积。在这个浓度范围内，假设纳米流体的热物理性质可以近似为均匀混合物，单相模型得到的结果可以提供可接受的表示。2. 相对分散稳定性：鉴于纳米流体制备方法，假设在实验过程中没有发生显著聚集，导致明显的相分离。3. 计算效率：单相模型显著降低了计算复杂性，使得在本研究的范围和时间内能够进行足够的模拟。3.1. 计算流体动力学（CFD）设置和工作流程 设置计算流体动力学（CFD）涉及多个阶段，从几何建模到结果分析。这个过程可以大致分为以下几类：3.1.1. 预处理•几何建模：创建所考虑问题的三维（3D）或二维（2D）模型。这通常使用计算机辅助设计（CAD）软件完成。•网格划分：将几何体离散为大量小单元或元素。网格的质量显著影响解决方案的准确性和速度。
•边界条件设置：定义流体在几何边界处的行为（例如，入口速度、出口压力、无滑移壁）。
•流体属性定义：指定流体的特性，如密度、粘度、热导率等。
•求解器设置：选择物理模型（例如，层流或湍流）、控制方程和求解算法。

3.1.2. 求解
在这个阶段，CFD求解器在生成的网格上求解流体流动的控制方程（纳维-斯托克斯方程）。这是一个计算密集型过程，需要大量的处理能力。

3.1.3. 后处理
结果可视化：以视觉形式展示求解结果。这包括压力和速度等值线、流线、矢量以及图表。

为了系统地总结您的要求，我们按以下步骤进行：

3.1.4. 控制方程
这些方程构成了流体动力学模拟的基础，通常包括质量守恒（连续性）、动量守恒（纳维-斯托克斯方程），必要时还包括能量守恒。对于热传递流体（纳米流体）流动，必须考虑与纳米粒子效应和热传递相关的项。

3.1.5. 网格划分
为了准确模拟螺旋管导体中的流体流动和热传递，使用了高质量的计算网格。螺旋几何形状要求特别注意网格结构，以有效捕捉流体流动的物理现象，尤其是在表面附近和流场变化较大的区域。

3.1.6. 网格类型和结构
优先选择六面体网格。之所以做出这种选择，是因为它在流体动力学和热传递计算中能够提供更高的准确性，减少数值误差，并且相对于四面体网格，所需的单元格数量更少即可达到所需的精度。此外，为了准确模拟边界层效应，在管道内壁应用了分层膨胀技术。这些层的设计旨在适当模拟靠近墙壁处的陡峭温度和速度梯度。

3.1.7. 网格划分技术细节
最终计算中的网格单元总数估计为……个单元格。为了确保结果的准确性和有效性，进行了网格独立性研究。在几何形状或物理变化显著的区域（如入口、出口和螺旋部分的弯曲区域），优化了网格设置。网格质量参数如“偏度”保持在0.4以下，“正交质量”保持在0.1以上，以确保求解器的稳定性和准确性。“Wall Y+”值也保持在适当的范围内。

3.1.8. 边界条件
应用以下边界条件来模拟螺旋管导体的热管理性能：
•入口：入口处设置均匀速度V=1.0。
•温度：入口流体温度保持在T_in=25°C。
•出口：出口处施加恒定的表压P_out=0。这是开放出口的常见条件，预期没有回流。
•壁面：向螺旋管内壁施加恒定的热通量，代表高功率导体产生的热量，q''=10,000。

3.1.9. 纳米流体模型
使用有效的热物理属性对MWCNT纳米流体的行为进行了建模。这种方法将纳米流体视为均匀连续体。
有效属性：根据基础流体（水）、纳米粒子属性（MWCNT）和纳米粒子浓度（体积分数）确定纳米流体的密度、比热、热导率和粘度。例如，热导率可以使用麦克斯韦模型或类似公式进行建模，而粘度可以基于爱因斯坦模型或其扩展进行建模。
注意：如果粒子聚集或相变显著，可以使用更复杂的模型（如两相模型），但对于增强单相热传递，有效属性是标准方法。

3.1.10. 热传递模型
求解能量方程以考虑流体内的热传递。该方程控制计算域内的温度分布，同时考虑对流和传导。通过之前描述的管道内壁上的指定热通量边界条件，模拟了从导体到流体的热传递。

3.1.11. 求解器设置
为了数值求解控制方程（质量守恒、动量守恒和能量守恒），使用了Ansys Fluent软件。由于流动特性，采用了基于压力的求解器。
求解器类型和公式：
使用了基于压力的求解器，适用于冷却应用中常见的不可压缩和弱可压缩流动。该求解器采用耦合或分离方法来求解控制方程。对于本次模拟，选择了耦合求解器方法，该方法同时求解动量和连续性方程，通常能更好地收敛这类问题。
离散化方案：
对于动量、能量和湍流传输方程的空间离散化，采用了二阶迎风方案。与一阶方案相比，这确保了更高的精度来捕捉流场和温度梯度。
为了确保数值准确性和可靠性，采用了全面的网格划分策略，并进行了彻底的网格独立性研究。
网格类型和结构：
主要使用六面体网格，因为它在模拟流体流动和热传递现象方面具有更高的准确性，特别是在复杂的几何形状（如螺旋管）中。在管道内壁实现了分层膨胀，以细化边界层区域的网格，捕捉陡峭的速度和温度梯度。在流动变化较大的区域（如入口、出口和弯曲部分），也局部细化了网格。

3.1.12. 电磁建模和热源提取
为了准确确定螺旋热交换器铜管中的体积热源，首先在Maxwell电磁仿真软件中创建了线圈几何的精确3D模型。通过施加频率为50 kHz的交流电（AC），计算了由于趋肤效应和邻近效应在铜管中产生的体积功率损耗。所得数据（包括功率损耗密度的空间分布W/m3）被用作Fluent中的热分析输入。在Maxwell中选择的空间网格分辨率足以充分模拟高电流密度区域的功率损耗细节。

3.1.13. 插值和热分析中的应用
在Fluent中重建了螺旋管几何形状，并在敏感区域注意精度进行了热网格划分。为了有效地将Maxwell网格中的体积功率损耗数据传输到Fluent网格，采用了三线性插值方法。该方法通过考虑Maxwell网格中的八个相邻数据点，计算并分配每个Fluent网格单元中心的功率损耗值，确保适当的空间连续性和热源分布的准确性。所得热源作为源项纳入Fluent的能量求解器中，并检查了它们对冷却剂（如水或纳米流体）和铜管温度剖面的影响。这种方法允许更准确地评估在电磁损耗引起的实际热负荷下的热传递和冷却效率。

3.1.14. 电磁建模和热源提取
为了准确确定螺旋热交换器铜管中的体积热源，首先在Maxwell电磁仿真软件中创建了线圈几何的精确3D模型。通过施加频率为50 kHz的交流电（AC），计算了由于趋肤效应和邻近效应在铜管中产生的体积功率损耗。所得数据（包括功率损耗密度的空间分布W/m3）被用作Fluent中热分析的输入。在Maxwell中选择的空间网格分辨率足以充分模拟高电流密度区域的功率损耗细节。

3.1.15. 插值和热分析中的应用
在Fluent中重建了螺旋管几何形状，并在敏感区域注意精度进行了热网格划分。为了有效地将Maxwell网格中的体积功率损耗数据传输到Fluent网格，采用了三线性插值方法。该方法通过考虑Maxwell网格中的八个相邻数据点，计算并分配每个Fluent网格单元中心的功率损耗值，确保适当的空间连续性和热源分布的准确性。所得热源作为源项纳入Fluent的能量求解器中，并检查了它们对冷却剂（如水或纳米流体）和铜管温度剖面的影响。这种方法允许更准确地评估在电磁损耗引起的实际热负荷下的热传递和冷却效率。

3.1.16. 验证
使用Ansys-Electronics 18.0对电感器的管道导体进行三维建模，而模拟通过Simplorer–Maxwell 3D协同仿真框架执行。这种方法的目的是能够在电力电子电路中模拟电感器绕组的温度，该温度使用电磁有限元分析（FEA）进行模拟。当速度分量的残差低于1×10^-4，能量残差低于1×10^-5时，认为CFD模拟收敛。为了确保高质量的网格，使用了Ansys 18.2 Workbench中的Fluent工具。
整个模型的最大单元格大小为0.55毫米，而液体区域则更精细地离散化为0.12毫米。通过将偏度值设置为小于0.50，优化了网格的准确性（Balci, 2019）。使用Ansys 18.0 Workbench中的Fluent工具确保了高质量的网格。在之前的研究中（Balci, 2019），研究人员使用了类似的网格密度来比较他们的数值结果与实验验证。他们的分析表明，施加500 W/m3的热负荷在整个加热间隔内导致管道导体的温度差异小于1.2%。

提取的数值结果表明，预测的热性能在文献中报告的螺旋管热交换器在层流条件下的预期范围内。水的对流热传递系数约为1500 W/m2·K，而MWCNT纳米流体将这一值提高到近1900 W/m2·K。这些值与先前报道的范围（水为1200–1800 W/m2·K，纳米流体高达约2000 W/m2·K）一致，证实了当前CFD模型的可靠性。此外，观察到在中等线圈匝数处的热传递系数峰值与已知曲率诱导的二次流动效应相符（表3）。

表4中呈现的定量比较表明，所得结果与先前发表的关于液冷和基于纳米流体的热系统的数值和实验研究结果一致。文献报告指出，螺旋管和液冷电感器在层流条件下的对流热传递系数通常在1200至2100 W/m2·K的范围内。当前的水（1380–1680 W/m2·K）和MWCNT纳米流体（1460–1950 W/m2·K）的数值结果完全在此范围内，证实了CFD模型的有效性。此外，与水相比，MWCNT纳米流体的加入使对流热传递系数提高了约15–20%。这种提升归因于纳米流体更高的有效热导率和螺旋几何形状引起的强化二次流动结构。在热行为方面，使用纳米流体冷却的系统达到了约70°C的稳态温度，而文献中报道的空气冷却条件下的温度显著更高（通常超过150°C）。这表明了所提出的冷却策略的有效性。总体而言，与以往研究的比较结果证实了数值方法的可靠性，并支持了基于MWCNT的冷却技术在高性能感应组件中的适用性。表5中呈现的对比显示，当前数值模型与参考研究之间存在极好的一致性。观察到的最大偏差为平均液体分数的3.4%，而平均温差小于1%。这证明了所采用的焓-孔隙率CFD框架能够准确预测基于PCM的冷却系统的相变行为和瞬态热响应。因此，当前模型已足够验证，可用于后续对螺旋管导体中MWCNT纳米流体冷却的参数研究。

5. 结果与讨论
本文旨在探索和分析一种独特的绕组结构，该结构可用于电路中的高性能和高频磁性组件。研究重点是将MWCNT（多壁碳纳米管）作为螺旋管中的液体。表1列出了为图2所示的高频、高功率DC-DC升压转换器定制设计的电感器的规格。

表1. 管导体电感器的技术规格
输出功率：4800瓦
输入电压：48伏
输出电压：120伏
电感：100
开关频率：50千赫
绝对温度：25摄氏度
导电材料：铜
线圈热源：500
线圈的交流电阻：22欧姆
管导体的壁厚：0.55毫米
管导体的内径：3毫米
管导体的外径：4.1毫米
芯形状：EE1006028

电感器线圈中的损耗主要受转换器电路切换频率（决定了趋肤效应）、导体材料的比导电率以及线圈整体尺寸的影响。管导体内的功率损耗还受到电流密度分布不均匀的影响，从而导致绕组各处的变化。在这种情况下，使用FEA工具在50 kHz的开关频率下计算了交流电阻。根据线圈的交流电阻和图3中所示的纹波电流，确定了相应的热源。

在仿真框架中，FEA软件考虑了将管导体与循环液体分隔开的电气绝缘。基于这种设置，确定了温度值。此外，流体循环通过的铜管不会受到腐蚀，因此选择了具有不同冰点和沸点的非水基液体。关于工作频率，铜导体的趋肤深度根据给定公式减小。因此，对于50 kHz的开关频率，0.58毫米的壁厚是一个合适的选择。

为了包含适当的壁厚，表1中列出的管的内径和外径在三维有限元分析（FEA）软件中进行了建模。对于标准铜管，使用Dowell方程根据频率参数化计算了交流电阻。结果，通过电磁建模生成了绕组的参数化交流电阻图。

基于使用CFD软件确定的热源进行了仿真研究。在仿真过程中观察到，核心内的热源（350 W/m3）小于线圈产生的热量（500 W/m3）。因此，尽管承认了核心中存在热源，但本研究仅专注于评估管导体绕组的冷却行为。研究提出了通过管导体进行液体循环冷却，以控制由绕组损耗引起的温度升高。

根据图7中的观察结果，当只有空气流动时，流经管导体的液体温度约为177°C。然而，如果冷却剂不流动，仅靠空气无法有效冷却。这种温度升高会导致电磁性能和磁导率的下降。此外，还可能导致绝缘问题，并对核心材料产生负面影响。因此，确保有效冷却以避免这些问题非常重要。根据图5，首先使用水基流体通过管子。然后，如图5和图6所示，通过管子传递MWCNTs，我们得出结论，使用MWCNTs可以提供更好的冷却效果。与水相比，管出口处的温度显著降低，沿管长度的热传递系数得到最大化。

仿真研究基于使用CFD软件确定的热源进行。在仿真过程中观察到，核心内的热源（350 W/m3）小于线圈产生的热量（500 W/m3）。因此，尽管认识到核心中存在热源，但本研究仅专注于评估管导体绕组的冷却行为。研究提出了通过管导体进行液体循环冷却，以控制由绕组损耗引起的温度升高。

根据图7中的观察结果，当只有空气流动时，流经管导体的液体温度约为177°C。然而，如果冷却剂不流动，仅靠空气无法有效冷却。这种温度升高会导致电磁性能和磁导率的下降。此外，还可能导致绝缘问题，并对核心材料产生负面影响。因此，确保有效冷却以避免这些问题非常重要。根据图5，首先使用水基流体通过管子。然后，通过管子传递MWCNTs，如图6所示，我们得出结论，使用MWCNTs可以提供更好的冷却效果。与水相比，管出口处的温度显著降低，沿管长度的热传递系数得到最大化。

仿真研究基于使用CFD软件确定的热源进行。在仿真过程中观察到，核心内的热源（350 W/m3）小于线圈产生的热量（500 W/m3）。因此，尽管认识到核心中存在热源，但本研究仅专注于评估管导体绕组的冷却行为。研究提出了通过管导体进行液体循环冷却，以控制由绕组损耗引起的温度升高。

根据图7中的观察结果，当只有空气流动时，流经管导体的液体温度约为177°C。然而，如果冷却剂不流动，仅靠空气无法有效冷却。这种温度升高会导致电磁性能和磁导率的下降。此外，还可能导致绝缘问题，并对核心材料产生负面影响。因此，确保有效冷却以避免这些问题非常重要。根据图5，首先使用水基流体通过管子。然后，通过管子传递MWCNTs，如图6所示，我们得出结论，使用MWCNTs可以提供更好的冷却效果。与水相比，管出口处的温度显著降低，沿管长度的热传递系数得到最大化。

仿真研究基于使用CFD软件确定的热源进行。在仿真过程中观察到，核心内的热源（350 W/m3）小于线圈产生的热量（500 W/m3）。因此，尽管认识到核心中存在热源，但本研究仅专注于评估管导体绕组的冷却行为。研究提出了通过管导体进行液体循环冷却，以控制由绕组损耗引起的温度升高。

根据图7中的观察结果，当只有空气流动时，流经管导体的液体温度约为177°C。然而，如果冷却剂不流动，仅靠空气无法有效冷却。这种温度升高会导致电磁性能和磁导率的下降。此外，还可能导致绝缘问题，并对核心材料产生负面影响。因此，确保有效冷却以避免这些问题非常重要。根据图5，首先使用水基流体通过管子。然后，通过管子传递MWCNTs，如图6所示，我们得出结论，使用MWCNTs可以提供更好的冷却效果。与水相比，管出口处的温度显著降低，沿管长度的热传递系数得到最大化。

仿真研究基于使用CFD软件确定的热源进行。在仿真过程中观察到，核心内的热源（350 W/m3）小于线圈产生的热量（500 W/m3）。因此，尽管认识到核心中存在热源，但本研究仅专注于评估管导体绕组的冷却行为。研究提出了通过管导体进行液体循环冷却，以控制由绕组损耗引起的温度升高。

根据图7中的观察结果，当只有空气流动时，流经管导体的液体温度约为177°C。然而，如果冷却剂不流动，仅靠空气无法有效冷却。这种温度升高会导致电磁性能和磁导率的下降。此外，还可能导致绝缘问题，并对核心材料产生负面影响。因此，确保有效冷却以避免这些问题非常重要。根据图5，首先使用水基流体通过管子。然后，通过管子传递MWCNTs，如图6所示，我们得出结论，使用MWCNTs可以提供更好的冷却效果。与水相比，管出口处的温度显著降低，沿管长度的热传递系数得到最大化。

仿真研究基于使用CFD软件确定的热源进行。在仿真过程中观察到，核心内的热源（350 W/m3）小于线圈产生的热量（500 W/m3）。因此，尽管认识到核心中存在热源，但本研究仅专注于评估管导体绕组的冷却行为。研究提出了通过管导体进行液体循环冷却，以控制由绕组损耗引起的温度升高。

根据图7中的观察结果，当只有空气流动时，流经管导体的液体温度约为177°C。然而，如果冷却剂不流动，仅靠空气无法有效冷却。这种温度升高会导致电磁性能和磁导率的下降。此外，还可能导致绝缘问题，并对核心材料产生负面影响。因此，确保有效冷却以避免这些问题非常重要。根据图5，首先使用水基流体通过管子。然后，通过管子传递MWCNTs，如图6所示，我们得出结论，使用MWCNTs可以提供更好的冷却效果。与水相比，管出口处的温度显著降低，沿管长度的热传递系数得到最大化。

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根据图7中的观察结果，当只有空气流动时，流经管导体的液体温度约为177°C。然而，如果冷却剂不流动，仅靠空气无法有效冷却。这种温度升高会导致电磁性能和磁导率的下降。此外，还可能导致绝缘问题，并对核心材料产生负面影响。因此，确保有效冷却以避免这些问题非常重要。根据图5，首先使用水基流体通过管子。然后，通过管子传递MWCNTs，如图6所示，我们得出结论，使用MWCNTs可以提供更好的冷却效果。与水相比，管出口处的温度显著降低，沿管长度的热传递系数得到最大化。

仿真研究基于使用CFD软件确定的热源进行。在仿真过程中观察到，核心内的热源（350 W/m3）小于线圈产生的热量（500 W/m3）。因此，尽管认识到核心中存在热源，但本研究仅专注于评估管导体绕组的冷却行为。研究提出了通过管导体进行液体循环冷却，以控制由绕组损耗引起的温度升高。

根据图7中的观察结果，当只有空气流动时，流经管导体的液体温度约为177°C。然而，如果冷却剂不流动，仅靠空气无法有效冷却。这种温度升高会导致电磁性能和磁导率的下降。此外，还可能导致绝缘问题，并对核心材料产生负面影响。因此，确保有效冷却以避免这些问题非常重要。根据图5，首先使用水基流体通过管子。然后，通过管子传递MWCNTs，如图6所示，我们得出结论，使用MWCNTs可以提供更好的冷却效果。与水相比，管出口处的温度显著降低，沿管长度的热传递系数得到最大化。

仿真研究基于使用CFD软件确定的热源进行。在仿真过程中观察到，核心内的热源（350 W/m3）小于线圈产生的热量（500 W/m3）。因此，尽管认识到核心中存在热源，但本研究仅专注于评估管导体绕组的冷却行为。研究提出了通过管导体进行液体循环冷却，以控制由绕组损耗引起的温度升高。

根据图7中的观察结果，当只有空气流动时，流经管导体的液体温度约为177°C。然而，如果冷却剂不流动，仅靠空气无法有效冷却。这种温度升高会导致电磁性能和磁导率的下降。此外，还可能导致绝缘问题，并对核心材料产生负面影响。因此，确保有效冷却以避免这些问题非常重要。根据图5，首先使用水基流体通过管子。然后，通过管子传递MWCNTs，如图6所示，我们得出结论，使用MWCNTs可以提供更好的冷却效果。与水相比，管出口处的温度显著降低，沿管长度的热传递系数得到最大化。

仿真研究基于使用CFD软件确定的热源进行。在仿真过程中观察到，核心内的热源（350 W/m3）小于线圈产生的热量（500 W/m3）。因此，尽管认识到核心中存在热源，但本研究仅专注于评估管导体绕组的冷却行为。研究提出了通过管导体进行液体循环冷却，以控制由绕组损耗引起的温度升高。

根据图7中的观察结果，当只有空气流动时，流经管导体的液体温度约为177°C。然而，如果冷却剂不流动，仅靠空气无法有效冷却。这种温度升高会导致电磁性能和磁导率的下降。此外，还可能导致绝缘问题，并对核心材料产生负面影响。因此，确保有效冷却以避免这些问题非常重要。根据图5，首先使用水基流体通过管子。然后，通过管子传递MWCNTs，如图6所示，我们得出结论，使用MWCNTs可以提供更好的冷却效果。与水相比，管出口处的温度显著降低，沿管长度的热传递系数得到最大化。

仿真研究基于使用CFD软件确定的热源进行。在仿真过程中观察到，核心内的热源（350 W/m3）小于线圈产生的热量（500 W/m3）。因此，尽管认识到核心中存在热源，但本研究仅专注于评估管导体绕组的冷却行为。研究提出了通过管导体进行液体循环冷却，以控制由绕组损耗引起的温度升高。

根据图7中的观察结果，当只有空气流动时，流经管导体的液体温度约为177°C。然而，如果冷却剂不流动，仅靠空气无法有效冷却。这种温度升高会导致电磁性能和磁导率的下降。此外，还可能导致绝缘问题，并对核心材料产生负面影响。因此，确保有效冷却以避免这些问题非常重要。根据图5，首先使用水基流体通过管子。然后，通过管子传递MWCNTs，如图6所示，我们得出结论，使用MWCNTs可以提供更好的冷却效果。与水相比，管出口处的温度显著降低，沿管长度的热传递系数得到最大化。

仿真研究基于使用CFD软件确定的热源进行。在仿真过程中观察到，核心内的热源（350 W/m3）小于线圈产生的热量（500 W/m3）。因此，尽管认识到核心中存在热源，但本研究仅专注于评估管导体绕组的冷却行为。研究提出了通过管导体进行液体循环冷却，以控制由绕组损耗引起的温度升高。

根据图7中的观察结果，当只有空气流动时，流经管导体的液体温度约为177°C。然而，如果冷却剂不流动，仅靠空气无法有效冷却。这种温度升高会导致电磁性能和磁导率的下降。此外，还可能导致绝缘问题，并对核心材料产生负面影响。因此，确保有效冷却以避免这些问题非常重要。根据图5，首先使用水基流体通过管子。然后，通过管子传递MWCNTs，如图6所示，我们得出结论，使用MWCNTs可以提供更好的冷却效果。与水相比，管出口处的温度显著降低，沿管长度的热传递系数得到最大化。

仿真研究基于使用CFD软件确定的热源进行。在仿真过程中观察到，核心内的热源（350 W/m3）小于线圈产生的热量（500 W/m3）。因此，尽管认识到核心中存在热源，但本研究仅专注于评估管导体绕组的冷却行为。研究提出了通过管导体进行液体循环冷却，以控制由绕组损耗引起的温度升高。

根据图7中的观察结果，当只有空气流动时，流经管导体的液体温度约为177°C。然而，如果冷却剂不流动，仅靠空气无法有效冷却。这种温度升高会导致电磁性能和磁导率的下降。此外，还可能导致绝缘问题，并对核心材料产生负面影响。因此，确保有效冷却以避免这些问题非常重要。根据图5，首先使用水基流体通过管子。然后，通过管子传递MWCNTs，如图6所示，我们得出结论，使用MWCNTs可以提供更好的冷却效果。与水相比，管出口处的温度显著降低，沿管长度的热传递系数得到最大化。

仿真研究基于使用CFD软件确定的热源进行。在仿真过程中观察到，核心内的热源（350 W/m3）小于线圈产生的热量（500 W/m3）。因此，尽管认识到核心中存在热源，但本研究仅专注于评估管导体绕组的冷却行为。研究提出了通过管导体进行液体循环冷却，以控制由绕组损耗引起的温度升高。

根据图7中的观察结果，当只有空气流动时，流经管导体的液体温度约为177°C。然而，如果冷却剂不流动，仅靠空气无法有效冷却。这种温度升高会导致电磁性能和磁导率的下降。此外，还可能导致绝缘问题，并对核心材料产生负面影响。因此，确保有效冷却以避免这些问题非常重要。根据图5，首先使用水基流体通过管子。然后，通过管子传递MWCNTs，如图6所示，我们得出结论，使用MWCNTs可以提供更好的冷却效果。与水相比，管出口处的温度显著降低，沿管长度的热传递系数得到最大化。

仿真研究基于使用CFD软件确定的热源进行。在仿真过程中观察到，核心内的热源（350 W/m3）小于线圈产生的热量（500 W/m3）。因此，尽管认识到核心中存在热源，但本研究仅专注于评估管导体绕组的冷却行为。研究提出了通过管导体进行液体循环冷却，以控制由绕组损耗引起的温度升高。

根据图7中的观察结果，当只有空气流动时，流经管导体的液体温度约为177°C。然而，如果冷却剂不流动，仅靠空气无法有效冷却。这种温度升高会导致电磁性能和磁导率的下降。此外，还可能导致绝缘问题，并对核心材料产生负面影响。因此，确保有效冷却以避免这些问题非常重要。根据图5，首先使用水基流体通过管子。然后，通过管子传递MWCNTs，如图6所示，我们得出结论，使用MWCNTs可以提供更好的冷却效果。与水相比，管出口处的温度显著降低这种不对称性是由离心效应驱动的，离心效应将高动量流体推向管道的外弧，从而加剧了靠近壁面的速度梯度。因此，剪切应力沿着外表面增加，而沿着内表面减少。

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图12. 管道壁上剪切应力的变化。

纳米流体冷却的管道导体系统的冷却性能和行为经过了测试和分析。还对其冷却能力进行了模拟，以识别潜在的操作挑战。图13展示了模拟结果，显示了在所提出的管导体配置下，电感器绕组温度随时间的变化情况。

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图13. 绕组温度的时间变化。

该图突出了靠近内壁处的特征性陡峭径向温度梯度——那里的热输入最大——随后是管厚度上的较平滑的温度下降。流体区域内的较小梯度表明MWCNT纳米流体实现了高效的热混合，减少了管道内的热阻。总体而言，如图14所示，这种温度分布证实了带有MWCNT纳米流体的螺旋导体有助于从壁面快速传递热量到流体中，从而提高了高功率电感器应用的冷却性能。

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图14. 三种不同模式下的径向温度分布。

图15显示了两种工作流体（水和MWCNT纳米流体）在管道导体螺旋转弯处的对流热传递系数的变化。横轴表示从1到20的绕组圈数，纵轴表示相应的对流热传递系数（单位：W/m2·K）。

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图15. 热传递系数随圈数的变化。

热传递系数从第一圈的约1380 W/m2·K开始逐渐上升，在第11-12圈附近达到约1680 W/m2·K的峰值。在此峰值之后，它缓慢下降，在第二十圈时降至大约1500 W/m2·K。这一趋势反映了曲率引起的二次流的影响，这些二次流在中间圈数最强，并随着接近线圈出口而减弱。纳米流体始终表现出优越的热传递性能。从第1460 W/m2·K开始，其系数增加得比水更明显，在第11-12圈时达到约1920-1950 W/m2·K的峰值。达到最大值后，它逐渐下降，但在最后一圈时仍远高于水的曲线。

为了阐明相变材料（PCM）在瞬态热缓冲中的实际作用，电感器绕组温度在阶梯功率剖面下进行了评估：30分钟满载（500 W/m3）后跟随30分钟减载（1000 W/m3），模拟了如电动汽车充电或脉冲功率转换器中的间歇性操作。

**敏感性分析**

进行了敏感性分析，以评估三个关键PCM属性的变化如何影响峰值绕组温度（表6）：

表6. 在30分钟满载（500 W/m3）下PCM属性对峰值绕组温度的敏感性

| PCM属性 | 基线值 | 测试范围 | 峰值T_winding（°C） | 敏感性（ΔT/Δ属性） |
|---------------|--------------|----------------|-------------|------------------|
| 熔点（T?） | 50?°C | 40–60?°C | 62.1–69.5?°C | ?0.74?°C/°C |
| 潜热（L） | 250?kJ/kg | 150–350?kJ/kg | 58.6–71.2?°C | ?0.13?°C/(kJ/kg) |
| 热导率（k） | 0.3?W/m·K | 0.2–1.0?W/m·K | 63.1–66.5?°C | ?4.1?°C/(W/m·K) |

熔点（T?）——影响最大（每变化1?°C，温度变化±0.7?°C）
潜热（L）——超过250?kJ/kg后效果减弱
热导率（k）——影响中等

结果表明，当T?设定在期望的稳态工作温度略低时，可以实现最佳缓冲效果。

熔点对峰值温度的影响最大。潜热在超过250?kJ/kg后效果减弱，而热导率的影响中等。当T?设定在期望的稳态温度略低时，可以实现最佳缓冲效果。

对流热传递的增强源于两个主要机制。首先，MWCNT纳米流体更高的有效热导率（通过麦克斯韦方程建模）降低了靠近加热壁面的热阻。其次，螺旋几何形状诱导了迪恩涡流（Dean vortices），这些涡流产生了径向二次流，破坏了热边界层并促进了流体混合。重要的是，发现了一种协同效应：二次流不仅增强了混合，还改善了MWCNT纳米颗粒的空间分布，防止了它们在核心区域的积聚，最大化了靠近壁面的热导率效益。这种协同效应解释了为什么MWCNT-螺旋组合的性能优于各个单独效果的叠加。

表7. 通过螺旋管道导体电感器流动的MWCNT纳米流体中对流热传递增强的物理机制总结

| 机制 | 物理效应 | 估计的增强效果 |
|-----------------|------------------|------------------|
| 增加的纳米流体热导率 | 5–10% |
| 减少热边界层阻力 | |
| 二次流（迪恩涡流） | 15–20% |
| 协同效应（纳米流体 + 螺旋） | 改善纳米颗粒径向分布 | 5–10%（额外） |
| 总增强效果 | 25–35% |

以下部分详细解释了每种物理机制如何促进MWCNT纳米流体在螺旋管道导体电感器中的对流热传递增强。

从工程角度来看，将MWCNT纳米流体实际应用于小直径（3毫米）的螺旋通道需要解决长期稳定性问题。这些问题包括纳米颗粒聚集、壁面污染、侵蚀和潜在的堵塞。推荐的缓解策略包括：
- 对MWCNTs进行表面功能化：以提高稳定性并防止聚集。
- 保持壁面剪切应力高于2 Pa：以避免颗粒粘附。
- 安装10–20微米的在线过滤器：以去除较大颗粒。
- 定期监测压降：以便早期检测堵塞或其他问题。

虽然这些措施增加了操作复杂性，但在热管理是限制因素的高功率密度应用中，25–35%的对流热传递增强效果证明了它们的采用是合理的。

表8. MWCNT纳米流体在螺旋管道导体电感器应用中的工程挑战和缓解策略总结

| 挑战 | 原因 | 后果 | 缓解策略 |
|-----------------|------------------|----------------------|----------------------|
| 颗粒聚集 | 范德华力 | 降低热性能 | 表面功能化、超声波处理、低浓度（0.1–0.5体积%） |
| 壁面污染 | 颗粒-壁面粘附 | 增加热阻 | 维持壁面剪切应力高于2 Pa、反向冲洗、防污染涂层 |
| 侵蚀 | MWCNTs的磨损作用 | 壁面变薄 | 增加壁厚安全系数、Ni-P镀层 |
| 堵塞 | 大颗粒或污染物 | 流动堵塞、冷却故障 | 10–20微米在线过滤器、压降监测 |

表9将总增强效果分解为三个主要机制。由螺旋几何形状引起的二次流（迪恩涡流）提供了主要贡献（15–20%），通过破坏热边界层并促进径向混合。MWCNT纳米流体增加的有效热导率降低了靠近壁面的热阻（5–10%）。曲率驱动的纳米颗粒重新分布产生了协同效应（5–10%），使MWCNTs集中在热梯度最陡的外加热壁附近。综合效果（25–35%）超过了各个单独贡献的总和，突显了纳米流体属性和螺旋流动动力学之间的协同作用。这些估计基于Re ≈ 511和0.1–2体积% MWCNT浓度的当前CFD结果。

本文研究了MWCNT纳米流体粘度和泵送功率增加对整个系统效率的潜在影响。纳米流体粘度的增加，特别是在较高体积分数时，会导致流动阻力增加，从而需要更大的泵送功率。这可能导致能量损失增加和整个热系统效率的降低。然而，相关文献表明，通过添加纳米流体实现的增强热传递有时可以补偿增加的泵送功率。这种权衡取决于纳米流体的类型、其体积分数、流动条件以及系统设计等因素。本研究详细讨论了这种平衡的分析及其对系统效率的影响。

**6. 结论**

本文的主要目的是研究和评估一种用于电路磁性组件的管道导体的创新绕组结构。研究重点是将MWCNTs（多壁碳纳米管）作为螺旋管内的工作流体。使用Ansys Fluent软件和有限体积方法模拟了这种纳米管配置对电路和转换器的冷却效果。结果表明，与水和其他测试的纳米材料相比，MWCNTs提供了更好的冷却性能，显著降低了管出口的温度，并最大化了沿管长度的热传递系数。电磁损耗在Ansys Maxwell中进行建模，并与Fluent耦合。

在这种情况下，电感器线圈通常由铜管制成，由于其出色的热导率，铜管被广泛应用于各个工业领域，以实现高效的冷却和热管理。为了准确评估电感器绕组的温度，需要考虑高频电流通过它们时可能产生的任何异常损耗。这些异常损耗可能会影响指定时间范围内绕组的整体温度。流体区域内的相对均匀温度分布表明，MWCNT纳米流体产生了强烈的对流混合，有效降低了内部热阻。这种整体模式证实了充满MWCNT纳米流体的螺旋管道导体有助于从管壁快速移除热量到冷却剂中，从而提高了高功率电感器系统的冷却能力。

在实际操作中，PCM充当被动热电容器。在70?°C的连续满载操作下（高于PCM的熔点50?°C），PCM保持完全熔化状态，不提供持续的热缓冲。其主要价值在于瞬态场景：启动、功率浪涌和间歇性工作周期。因此，所提出的PCM增强设计最适合具有可变或脉冲热负荷的应用，例如电动汽车充电站中的DC-DC转换器或输出波动的可再生能源系统。

**社会影响：**

除了技术进步之外，所提出的冷却策略还提供了几个社会相关的益处。首先，通过实现更高效率的热管理，这项技术可以加速超快电动汽车（EV）充电站的部署。减少充电时间直接解决了续航里程焦虑问题——这是阻碍EV采用的主要障碍——从而促进了更广泛的可持续交通和减少城市空气污染。其次，可再生能源逆变器（例如太阳能和风能系统）的增强功率密度和可靠性支持了更稳定和有弹性的清洁能源基础设施，有助于能源公平并减少对化石燃料的依赖。第三，由于冷却效果更好，磁性组件的使用寿命延长，减少了电子废物（电子垃圾）和频繁更换的需求，降低了电力电子产品的环境足迹。最后，基于PCM的被动热缓冲通过防止热失控提高了系统安全性，这在住宅电动汽车充电和并网电池存储应用中尤为重要。总体而言，这些社会效益——从气候变化缓解和公共健康（通过减少排放）到消费者的经济节省和能源获取的增强——强调了将先进的纳米流体冷却集成到下一代电力系统中的更广泛价值。

总之，本研究提出了一种具有内部液体冷却和集成PCM基热缓冲的紧凑型电感器设计，通过完全耦合的电磁-CFD框架进行了模拟。MWCNT纳米流体的加入将峰值热传递系数提高了大约1.9–2.0 kW/(m2·K)，从而相对于纯水降低了操作温度。然而，分析存在一些局限性，包括缺乏实验验证、假设与PCM的理想热接触以及假设纳米流体行为没有聚集或沉积。后续研究应集中在构建和测试物理原型、进行参数优化以及通过添加金属泡沫或石墨复合材料来提高PCM的热导率上。尽管有这些限制，所建议的冷却策略代表了实现更高功率密度和增强高频磁性组件热调节的有希望的方法。

**利益冲突声明**

作者声明他们没有已知的竞争财务利益或个人关系，这些利益或关系可能会影响本文报告的工作。

**数据可用性声明**

数据将应要求提供。

**未引用的参考文献**

(Megahed等人，2024年；Bilal等人，2025年；Maatki，2025年；Bilal等人，2025年；Hayat等人，2024年；Xin等人，2024年；Alhazmi等人，2025年)

**作者贡献声明**

Walaa Nasser Abbas：撰写——原始草稿、监督、软件。
Rassol Hamed Rasheed：可视化、验证、数据管理。
Mariam E. Murad：撰写——原始草稿、可视化、验证。
Mujtaba A. Flayyih：撰写——原始草稿、方法论。
Pooya Pasha：撰写——原始草稿、数据管理、概念化。