Numerical and experimental study of open-cell foams for the characterization of heat exchangers
本文提出一种适用于多种材料、孔穴尺寸和孔隙率的开孔泡沫多尺度模型，结合微观几何参数预测压力损失、热导率和Nusselt数，并经文献及CERN实验验证具有准确的换热器热性能表征能力。
2023-06-06 physics.flu-dyn
Inverse heat conduction to model and optimise a geothermal field
换热器场的设计是确保此类可再生能源系统长期可持续性的关键阶段。这一任务必须通过模拟由不同交换器组成的复杂系统中的相关过程来完成，其中必须考虑交换器内部和外部的热传递。我们提出了一个数学模型的热传导到土壤中的交换器的存在的结果的研究。这样一个问题是制定和解决的分析方法。在此解析解的基础上，我们提出了一个优化程序，通过最小化相邻设备的不利影响来计算交换器的最佳位置。一些数值实验也被用来显示所提出的方法的有效性，同时考虑到参考的基于有限差分法的问题的近似程序。
2021-11-16 cs.NA math-ph math.AP
Flow-priority optimization of additively manufactured variable-TPMS lattice heat exchanger based on macroscopic analysis
Waseda University（早稻田大学）；AGC Inc.（AGC株式会社）
针对均匀点阵并非最优换热效率的问题，提出基于Darcy-Forchheimer理论的宏观建模方法，以Primitive点阵等值面阈值为设计变量优化点阵分布，实验验证优化解相比均匀点阵平均性能提升28.7%。
2026-06-03 physics.comp-ph physics.flu-dyn
Axial flow fan performance in a forced draught air-cooled heat exchanger for a sCO2 Brayton cycle
本文提出将风机与换热器集成的CFD模型，利用多孔介质模型简化翅片管束，发现CFD预测流量与解析值和设计值误差小，且集气室高度显著影响流量与冷却均匀性，为sCO2循环空冷换热器设计奠定基础。
2024-01-05 physics.flu-dyn
Numerical Analysis of Thermo-Hydraulic Performance of FLiBe Flowing Through a Louvered-Fin Compact Heat Exchanger
研究FLiBe熔盐在槽形翅片紧凑换热器中的热液压性能，通过数值模拟分析槽形角度和翅片间距对传热效率的影响。
2023-03-01 physics.flu-dyn
Optimization of Higher-Order Harmonic Surface Tessellations for Additively Manufactured Air-to-Air Heat Exchangers
University of the District of Columbia（哥伦比亚特区大学）
本研究通过优化更高阶谐波传热表面结构，提升空气-空气换热器的热液压性能，尤其在湍流流动中表现出更高的效率和更低的压力损失。
2026-02-19 physics.comp-ph physics.flu-dyn
Interface Capturing Flow Boiling Simulations in a Compact Heat Exchanger
以R113为工质，对带偏置肋片的竖直微通道内的流动沸腾进行了高保真度的数值模拟。采用瞬态三维数值模拟方法，结合水平集界面捕捉方法，采用有限元程序PHASTA对多个连续气泡成核过程进行了模拟。代码的性能进行了验证，对一个单一的成核网站在垂直矩形通道的实验。为了检验程序的性能，首先对具有OSF的微通道中气泡离壁进行了研究。由于应用于通道的热通量值较低（1 kW/m2），因此未考虑微层的贡献。分析了表面特性如接触角和液体粘度对气泡动力学的影响。局部两相传热系数也进行了研究。为了实现更高的空隙率，两个圆锥形的成核腔被引入到与OSF相同的通道中。观察到的气泡特性（离开直径，气泡离开频率）进行评估和气泡轨迹的介绍和分析。局部传热系数的评估为每个模拟情况。结果表明，当单个气泡接近壁面时，局部传热系数增加约2.5倍。随着气泡成核直径的减小，换热系数提高了2倍。目前的工作表明，在这种复杂的几何形状，如OSF以及高分辨率模拟的数据处理优势的流动沸腾现象建模的能力。
2022-11-18 physics.flu-dyn
Parametric study on hydrothermal properties of condensing flow in microtube heat exchangers using numerical and experimental approaches
微通道已越来越多地用于使传热设备冷却、提高能量效率和使传热流体存量最小化。对微尺度冷凝的基本理解将为工业的不同领域带来深远的利益。在这项研究中，与内径为250，500，600，和900微米的微管被用来调查的影响微管直径，入口品质，和质量流量的冷凝流的壁边界附近的液体/蒸汽界面。在与实验结果进行验证后，瞬态数值模型（基于流体体积法）被开发来研究冷凝的水热特性，如气泡动力学，流图转换，瞬态界面剪切力，和温度对流动冷凝性能的传热系数和压降。研究了不同微尺度管的液膜厚度、弹状流速度以及微尺度管内环状流向弹状流转变的位置，并详细讨论了微尺度管对凝结换热和压降的影响。实验结果表明，在小于500 μ m和大于500 μ m的微管内，凝结流动的界面特性有很大的不同。
2021-02-06 physics.app-ph physics.flu-dyn
Vortex controlled heat transfer in eight row plate fin and tube exchangers: CFD derived air side Nusselt correlations
本研究通过CFD模拟揭示8排错列翅片管换热器中第1、2、8排传热效率显著高于其他排，并建立逐排努塞尔数关联式，为降低成本和能耗提供优化依据。
2025-09-10 physics.app-ph physics.flu-dyn
Streamwise periodic solver to simulate turbulent flow in finned channels with uniform isothermal walls
Flemish Institute for Technological Research (VITO)（佛兰芒技术研究所）；EnergyVille（能源村）；Delft University of Technology（代尔夫特理工大学）
本文提出了一种用于模拟等温壁通道中流体周期性鳍片的降阶湍流求解器，通过减少计算成本验证了其在层流和湍流条件下的准确性。
2026-11-03 physics.flu-dyn
A low frequency model for the aeroacoustic scattering of cylindrical tube rows in cross-flow
换热器管排既作为声散射体又作为非稳态热沉，对燃烧系统的热声不稳定性行为有重要影响。因此，通过仔细调整它们的热声特性，换热器具有充当被动控制装置的潜力。在这项工作中，我们专注于（只）声散射行为的换热器管。我们提出了一个现有的声学模型管排和狭缝的比较，后者的模型具有的优势，将频率依赖性。然后，我们提出了一个新的模型，使适应狭缝模型管行。该模型针对实验和线性化纳维-斯托克斯方程（LNSE）预测的透射和反射系数（包括相位信息）进行了验证。模型预测与实验和数值验证非常吻合，特别是对于低频（Strouhal数< 0.5，基于管半径和激励频率），透射系数的平均差异小于2%（反射系数误差略大，因为它们的大小非常接近于零）。
2022-02-23 physics.flu-dyn
Reduced Effective Model for Condensation in Slender Tubes with Rotational Symmetry, Obtained by Generalized Dimensional Analysis
在紧凑型换热器中冷凝的实验结果表明，由于冷凝的热传递明显优于经典的换热器，特别是当使用R134 a代替水作为制冷剂时。这表明表面张力起作用。本文利用广义量纲分析方法，导出了圆柱形截面垂直管内凝结的简化模型方程和跳跃条件。基于此模型，我们推导出一个单一的常微分方程的冷凝液膜的厚度作为管轴的函数。我们的模型与现有文献中常用的模型一致。它基于问题的物理维度，具有更大的几何灵活性。
2011-01-29 physics.flu-dyn
1-D modelling and CFD study of the transient behaviour of a single phase Coupled Natural Circulation Loop
耦合自然循环回路（CNCL）由两个自然循环回路（NCL）组成，它们通过一个共用的换热器进行热耦合。据作者所知，文献中还没有报道过这种具有实际意义的系统的瞬态建模。本工作的目的是弥合这一差距，并使用1-D数学模型的CNCL系统的动态特性进行调查。通过与三维CFD模拟结果的比较，验证了模型的正确性。水平和垂直CNCL系统已被认为是这项研究和行为的平行和逆流配置的系统中的换热器部分进行了阐述。已经进行了瞬态和稳态CFD分析，以分析不同加热器和冷却器方向以及流动初始化的CNCL系统。的CNCL系统的行为，然后进行彻底的参数研究，采用验证的1-D单相CNCL模型与液体钠作为工作流体进行检查。与加热器和冷却器配置相结合的CNCL方向（垂直或水平）决定了系统的动态特性和行为。CNCL系统在高热负荷下也表现出混沌流动振荡。
2018-04-26 physics.flu-dyn
Cova-PINN: Cross-Domain Conservation Physics-Informed Neural Network for Fluid-Solid Conjugate Heat Transfer in Complex Geometries
Shandong University（山东大学）；Tsinghua University（清华大学）
本文针对标准多域PINN求解流固共轭传热时能量传递与出口温度计算不准确的问题，提出Cova-PINN框架，通过对齐守恒支撑与热路径优化跨域平衡，在4种TPMS换热器及DualMS设计上较基准取得显著误差降低与精度提升。
2026-10-09 cs.LG physics.flu-dyn
Recent Advances on Pool Boiling Heat Transfer Processes
池沸腾是从高功率电子设备、换热器和核反应堆中去除热量的有效方法之一。如今，池沸腾方法由于其与自然/强制对流相比能够去除高的热通量，同时保持在低的壁温下而被频繁地尝试使用。但是，这种池沸腾传热能力也受到一个重要参数的限制，称为临界热通量（CHF）。在临界热流密度下，由于传热区域由核态沸腾转变为膜态沸腾，传热系数（HTC）急剧下降。这就是为什么工程师和研究人员对提高CHF，同时保持低壁厚的原因。
2021-10-27 hep-lat physics.flu-dyn
Sparse Narrow-Band Topology Optimization for Large-Scale Thermal-Fluid Applications
本文提出一种面向大规模对流换热的窄带拓扑优化方法，将全局问题分解为局部流固界面子问题，在单一工作站上高效求解含5千万设计变量的双流体换热器优化问题。
2025-11-08 math.OC physics.flu-dyn
Topology optimization of heat sinks for instantaneous chip cooling using a transient pseudo-3D thermofluid model
随着电子元器件功率密度的不断提高，散热器的散热能力逐渐成为瓶颈。包括拓扑优化在内的多种结构优化方法已被广泛应用于散热器的设计中。由于散热器具有很高的设计自由度，为了获得更好的瞬态热性能，建议采用瞬态准三维热流体模型对散热器进行拓扑优化设计。伪3D模型被设计为降低计算成本并保持可接受的精度。该模型依靠一个人工对流换热系数来耦合两层，并与相应的三维模型建立近似关系。在该模型中，一个恒定的压力降和热生成率被处理。优化材料分布，以降低基板在规定的终端时间的平均温度。此外，为了减少基于密度的拓扑优化过程中的中间密度区域，对插值函数进行了详细的分析，并在此基础上选择了惩罚因子。最后，考虑到模型的工程应用，建立了一个更强的冷却介质和更高的入口压力的实用模型。优化后的设计具有更好的瞬态热性能，与参考设计相比，泵浦功率降低了66.7%。
2019-11-29 cs.CE physics.flu-dyn
Physical dealloying for two-phase heat transfer applications: pool boiling case
本研究提出利用物理去合金化方法对商业黄铜表面进行微结构化处理，在650 C下处理0.5小时即可使池沸腾传热系数提升110%至150%，为各类相变热管理设备提供了一种简单绿色的表面改性方案。
2023-06-19 physics.flu-dyn
Large scale three-dimensional topology optimisation of heat sinks cooled by natural convection
本文提出了基于密度的拓扑优化方法在自然对流冷却三维散热器设计中的应用。控制方程是稳态不可压缩的纳维-斯托克斯方程，通过Bousinessq近似耦合到热对流扩散方程。完全耦合的非线性多物理场系统的解决使用稳定三线性等阶有限元在一个并行的框架，允许优化的大规模问题的顺序为40-330万状态自由度。流动被假定为层流，并提出了几个优化设计的Grashof数之间的$10^3$和$10^6$。有趣的是，观察到优化设计中的分支数量随着Grashof数的增加而增加，这与二维优化设计相反。
2015-08-19 cs.CE physics.flu-dyn
Multi-scale topology optimization of porous heat sinks with voided lattice structure using a two-layer Darcy-Forchheimer model
本文提出基于双层达西-福克海默模型的多尺度拓扑优化方法，用于设计具有空隙晶格结构的高效散热器，通过优化实现更高的换热效率和更低的压力损失。
2025-09-30 cs.CE physics.flu-dyn
Numerical Study on Flow and Heat Transfer of Water and Liquid Metals Within Micro-Scale Heat Sinks for High Heat Dissipation Rate Applications
紧凑型和小型换热器由于其大的表面积与体积比而可以处理高散热率。涉及高散热率的应用包括但不限于紧凑的微电子处理单元、高功率激光器阵列、燃料电池以及裂变电池。低维护成本、小尺寸和小尺寸以及高对流传热系数使微型散热器成为高散热率应用的高效可靠的冷却解决方案。尽管有这些优点，但在微尺度散热器内发生的大压降限制了它们的利用。据报道，在微通道的壁处的滑动可将摩擦系数降低高达30%，这取决于微通道的水力直径。通过数值模拟研究了壁面滑移对微尺度热沉内液体流动的摩擦系数和努塞尔数的影响。在相同的质量流率和入口雷诺数，得到的结果表明，在2微米的顺序上的滑移长度提高了近6%的无滑移边界条件相比，微型散热器的整体thermalhydraulic性能。与无滑移边界条件相比，通道平均努塞尔数增加了4%，而泵浦功率降低了8%。
2021-06-13 physics.flu-dyn
GeoChemFoam: Direct Modelling of flow and heat transfer in micro-CT images of porous media
GeoChemFoam是一个基于OpenFOAM的开源数值建模工具箱，包括一系列自定义软件包，用于解决复杂的流动过程，包括界面传输的多相输送，多尺度多孔介质中的单相流动以及矿物溶解的反应输送。在本文中，我们提出了GeoChemFoam的新的数值模型，用于模拟多孔介质的微观CT图像中的共轭传热。GeoChemFoam使用微连续体方法来描述流体-固体界面，使用每个计算单元中流体和固体的体积分数。使用Brinkman方程求解速度场，使用Kozeny-Carman方程计算渗透率，导致固相渗透率接近零。共轭传热，然后解决与热对流的速度是非零的，和导热系数计算为相的体积分数加权的相电导率的调和平均值。我们的模型进行了验证，一个简单的二维几何形状的标准的两种介质的方法进行比较。然后，我们模拟共轭传热和计算不同的流动制度和注入流体的传热系数类似于注入到地热储层中的Bentheimer砂岩的微CT图像，并进行灵敏度分析，在多孔换热器与随机球填料。
2021-10-07 physics.flu-dyn
Optimal cooling of an internally heated disc
出于对湍流传热的急剧边界的搜索以及最佳热交换器的设计，我们考虑最有效地冷却内部加热盘的不可压缩流。热量通过分布式热源进入，被动平流和扩散，并以固定温度通过边界离开。我们寻求一种平流来优化这种交换。以前的工作能量约束冷却与恒定的源已经阐明，全球优化应该类似于对流辊，我们证明了片面的界限对应的能量约束冷却，但不解决，这个猜想。在拟能约束的情况下，我们的结果是更完整的：我们构建了一个家庭的自相似的，树状的“分支流”，我们证明其冷却是在一个对数的全局最优。这些结果适用于一般的空间和时间相关的源-汇分布，增加更多的热量比他们删除。我们的主要技术工具是一个非局部Dirichlet的变分原理的非均匀对流扩散方程的无发散速度的边界解。
2022-01-23 math.AP physics.flu-dyn
Optimal heat transfer and optimal exit times
换热器可以被建模为包含不可压缩流体的封闭域。运动的流体具有服从对流扩散方程的温度分布，在壁处具有零温度边界条件。从内部的正初始温度分布开始，目标是尽可能有效地通过墙壁传递热量。在这里，我们考虑一个不同的，但密切相关的问题，即积分平均退出时间的布朗粒子开始内的域。由于有利于快速热交换的流动应该降低出口时间，我们最小化了出口时间的范数。这是一个与时间无关的优化问题，我们在某些限制下解析求解，否则数值求解。我们找到一个（至少局部）最佳的速度场，冷却域的机械时间尺度上，在这个意义上说，综合平均出口时间是独立的大能量流的限制分子扩散。
2018-02-22 math.AP physics.flu-dyn
Breaking the Reynolds Analogy: Decoupling Turbulent Heat and Momentum Transport via Spanwise Wall Oscillation in Wall-Bounded Flow
本研究通过展向壁面振荡在湍流通道流中打破雷诺类比，实现优先增强传热而非阻力，为换热器优化提供新途径。
2023-12-20 physics.flu-dyn
1-D semi-analytical modeling and parametric study of a single phase rectangular Coupled Natural Circulation Loop
具有由浮力驱动的热流体侧和冷流体侧的换热器的研究由于其固有的被动性和不存在运动部件而受到相当大的关注。目前的研究旨在研究这种热交换装置采用基本耦合自然循环回路（CNCL）系统。提出了一种基于1-D傅立叶级数的基本CNCL系统的半解析模型。一个3-D CFD验证进行验证开发的1-D模型。确定了决定系统行为的Grashof数、Fourier数、Stanton数和Reynolds数等无量纲数，并进行了详细的参数研究。垂直和水平CNCL系统被认为是随着平行和逆流配置。加热器-冷却器的位置对CNCL系统的性能有很大影响。垂直CNCL总是呈现逆流配置，而水平CNCL系统可以呈现平行或逆流布置，这取决于加热器-冷却器位置和初始流动条件。
2018-11-20 physics.flu-dyn
Unexpected Suppression of Leidenfrost Phenomenon on Superhydrophobic Surfaces
莱顿弗罗斯特现象是指液滴在过热的表面上悬浮，并被其蒸汽层包裹。对于水，超疏水表面被认为抑制莱顿弗罗斯特点（$\it{T}$ $_{\rm L}$）-发生这种现象的温度。蒸汽膜阻碍了换热器中的沸腾传热，从而损害了能量效率和安全性。因此，期望在不抑制$\it{T}$ $_{\rm L}$的情况下实现超疏水性。在这里，我们证明了水的$\it{T}$ $_{\rm L}$的微织构超疏水表面，包括双凹柱（DRP）可以超过那些亲水性，甚至超亲水性表面。我们解开微观结构，热传递，和表面化学的$\it{T}$ $_{\rm L}$的贡献，并揭示如何超疏水性可以实现不抑制$\it{T}$ $_{\rm L}$。例如，与涂覆有全氟化纳米颗粒的二氧化硅表面相比，在200 $^{\circ}$ C下，具有DRP的二氧化硅表面促进了~300%更大的热传递到水滴。因此，超疏水表面可以用于节能热机械。
2021-02-04 physics.app-ph physics.flu-dyn
The stability of stratified horizontal flows of carbon dioxide at supercritical pressures
本文通过阴影成像与壁温测量研究88.5 bar下二氧化碳水平槽道在顶/底加热时的分层稳定性，揭示稳定与不稳定分层对传热的相反作用。
2024-09-13 physics.flu-dyn
Multi-fidelity topology optimization of flow boiling heat transfer in microchannels
本研究提出一种多保真拓扑优化方法，通过精心定义目标函数，高效设计微通道结构，消除热点、降低热阻并改善温度均匀性，为复杂传热传质问题提供新途径。
2024-05-22 physics.flu-dyn
A Physics-based Scaling of the Charging Rate in Latent Heat Thermal Energy Storage Devices
热能储存（TES）越来越被认为是高效热电联产（CHP）、集中式太阳能发电（CSP）、供暖通风和空调（HVAC）以及制冷的重要组成部分，因为它降低了峰值需求，同时有助于管理能量的间歇可用性（例如，太阳能或风能）。潜热热能存储（LHTES）由于其高能量存储密度而成为可行的选择。LHTES换热器的参数分析集中于获得相变流体中的层流的数据，然后将函数形式（例如幂律或多项式）拟合到这些数据。或者，在本文中，我们提出了一个参数化的框架来分析LHTES设备，通过识别所有相关的流体参数和相应的无量纲数。我们使用有限体积法在相变材料（PCM）和传热流体（HTF）中的格拉肖夫数、普兰特数和雷诺数的四个值下对LHTES装置进行了64次模拟。我们观察到，在HTF中有足够的能量，HTF雷诺数和普朗特数对传热速率的影响可以忽略不计。在这些条件下，我们提出了一个基于傅立叶数（$Fo$），格拉肖夫数（$Gr_p$）和普朗特数（$Pr_p$）的LHTES装置的储能（或熔体分数）的变化的时间尺度，并观察到$Gr_p^1$和$Pr_p^{(1/3)}$的依赖性。我们还确定了两个不同的区域中的熔体分数随时间的变化，即线性和渐近区域。我们还预测了在两个区域之间的过渡熔体分数的临界值。从这些分析中，我们得出一些结论，LHTES设备的设计程序。
2020-09-22 physics.flu-dyn
Fiber bundle topology optimization for mass and heat transfer in laminar flow
本文提出纤维丛拓扑优化方法，将表面结构图案与隐式2-流形统一描述，并结合连续伴随法与梯度迭代求解层流中表面流和体积流的质量与热量传递优化问题，扩展了设计自由度。
2024-11-25 physics.flu-dyn
Microscale physics and macroscale convective heat transfer in supercritical fluids
本文从微观物性与宏观输运两个尺度综述超临界流体的流动与传热特性，重点讨论拟沸腾、无表面张力界面、传热恶化与再层流化的关联，并总结湍流建模和机器学习方法的最新进展。
2024-08-02 physics.flu-dyn
Topology optimization for microchannel heat sinks with nanofluids using an Eulerian-Eulerian approach
针对纳米流体微通道散热器设计难题，提出基于Eulerian-Eulerian框架的密度拓扑优化方法，在固定压降下最大化传热性能，相比传统平行流场传热提升11.6%。
2025-01-28 math.OC physics.flu-dyn
The effect of velocity boundary conditions on the heat transfer and flow topology in two-dimensional Rayleigh-Bénard convection
研究了不同速度边界条件对二维Rayleigh-Bénard对流的影响。在侧壁和水平板上使用无滑移、无应力和周期性边界条件的组合。对于所研究的$10^8$和$10^{11}$之间的瑞利数Ra，在无滑移侧壁的情况下，$Γ= 0.33$的热传输低于$Γ= 1$。这对于无应力侧壁是令人惊讶地相反的，其中对于较低的纵横比，热传输增加。在较宽的细胞中，观察到$\text{Ra} \ge 10^{10}$的纵横比依赖性消失。可以看到两种不同的流动类型具有非常不同的动力学，主要取决于板速度边界条件，即卷状流动和水平带状流动，这对系统中的动力学和热传输有实质性的影响。主要是水平的带状流抑制热通量，并观察到无应力和不对称的板。低纵横比周期性侧壁模拟板上的无滑移边界条件也表现出带状流。在所有其他情况下，流动是滚动状的。在二维Rayleigh-Bénard对流中，速度边界条件对卷状流和带状流都有很大的影响，在施加边界条件之前必须考虑这些影响。
2015-01-08 physics.flu-dyn
Magnetic field and thermal radiation induced entropy generation in a multiphase non-isothermal plane Poiseuille flow
研究了在恒定压力梯度和横向无创磁场作用下，两无限大水平平行平板间两相非等温流动中辐射换热对熵产的影响。这两种流体都被认为是粘性的、不可压缩的、不混溶的、牛顿的和导电的。在直角坐标系下的控制方程解析求解的帮助下，适当的边界条件，以获得速度和温度的通道内的分布。横向磁场的应用被发现，以减少在压力驱动流的流体的吞吐量和温度分布。通过调节磁场强度、通道壁和流体之间的温差以及几种固有的流体性质，也可以非侵入性地改变通道内的温度和流体流动。通过改变Hartmann数、辐射参数、Brinkmann数、填充率、流体粘度比、导热系数和电导率，可以控制由传热、磁场和流体流动不可逆性引起的熵产生。通道壁的表面被发现作为一个强大的熵产生和传热不可逆性的来源。通道壁处的热传递速率也可以通过磁场强度、温差和流体性质来调整。本研究所提出的策略对设计和开发下一代微型反应器、微型换热器和能量收集装置具有重要意义。
2021-10-15 math-ph math.MP physics.flu-dyn
A machine learning approach to the prediction of heat-transfer coefficients in micro-channels
The Alan Turing Institute（艾伦·图灵研究所）；Imperial College London（帝国理工学院）；Brunel University London（伦敦布鲁内尔大学）；Hexxcell Ltd.（Hexxcell有限公司）
本文提出用多输出高斯过程回归预测微通道两相传热系数，以克服传统机器学习模型过拟合、缺乏不确定性估计和可解释性差的问题，并基于Brunel两相流数据库训练验证。
2023-05-28 cs.LG physics.data-an physics.flu-dyn
