分形树状通道换热器：三维流动与传热模拟分析

"分形树状通道换热器内流动换热的三维数值模拟，通过建立三维稳态模型，采用固、液耦合计算方法，研究了分叉效应对传热的强化机理和受热面的温度分布。与蛇形通道相比，分形树状通道在保持良好温度均匀性的同时，压降显著降低。" 本文主要探讨了分形树状通道换热器在流动换热方面的优势，特别是在仿生学启发下的设计创新。作者杨迎春、陈永平等人通过建立三维稳态模型，对入口水力直径为4mm的矩形截面树状通道内的流动换热进行了数值模拟。研究的核心是分析分叉结构如何影响传热效率以及换热器的温度分布。 首先，他们发现分叉处产生的二次流能够有效强化换热过程，这种现象源于流体在分叉时的动态重组，增加了湍动，从而提高了传热效果。相较于传统的蛇形通道换热器，分形树状通道换热器展现出更好的温度均匀性，减少了受热面的最大温差。这意味着热量分布更为均衡，对于某些需要精确温度控制的应用来说，这种设计具有显著优势。 其次，数值模拟结果显示，分形树状通道的层流流动压降显著低于蛇形通道，这意味着在相同的流动条件下，前者所需的驱动压力更小，降低了系统的能耗。这一发现对于能源效率和设备小型化具有重要意义，尤其是在需要高效冷却的电子设备领域。 文章引用了Bejan等学者的先前工作，这些研究强调了分形结构在优化流动换热效率方面的潜力。Bejan等人提出了树状结构换热系统的设计理念，表明其在减少泵功消耗和流动阻力方面优于传统并行结构。后续研究进一步探讨了不同类型的分叉通道对流换热性能的影响，以及双层分形树状通道的逆流对流换热特性，证实了分形结构的优越性。 此外，Chen和Cheng基于微电子机械系统（MEMS）技术设计的分形树状微通道换热器，以及Pence在圆形散热表面上的分形结构换热器设计，均展示了分形结构在微尺度散热应用中的强大潜力。尽管这些研究大多集中在特定形状的换热器上，但它们共同揭示了分形设计在提高热交换效率和适应不同应用场景方面的广泛适用性。 分形树状通道换热器通过其独特的结构特性，实现了流动换热的强化，并在保持良好温度均匀性的同时降低了压降。这一研究成果对于优化换热器设计，尤其是对于需要高效、节能冷却解决方案的领域，提供了重要的理论基础和技术支持。