山东大学齐建荟ICHMT：布雷顿循环换热器内金属泡沫中超临界 CO₂ 流动与传热特性数值研究

转自 先进动力科学实验室

全文摘要

超临界CO₂布雷顿循环是极具潜力的先进动力循环，泡沫金属换热器是极具前景的强化换热结构，但孔隙层次下的sCO₂流动传热机理尚不清晰。山东大学团队基于Kelvin十四面体拓扑构建泡沫金属单胞模型，开展孔隙尺度的CFD数值模拟，系统分析不同孔隙率、孔密度、流速、压力工况下的流动压降与换热特性。结果表明，泡沫金属可将Colburn因子提升至光滑管的 5-7 倍，低流速下的高孔密度换热优势显著，而高流速下换热增强效应趋于湍流饱和；孔隙率对流动阻力影响远大于孔密度。研究建立了适用于该拓扑结构的Forchheimer压降关联式，并以传热流阻综合指标j/f筛选得到ε=0.974、40 PPI为低中速区间的最优结构。该工作可为 sCO₂布雷顿循环紧凑换热器的泡沫金属结构设计与工况选型提供理论支撑与预测工具，同时文章也指出理想周期泡沫模型与真实随机泡沫的差异，为后续高温高压泡沫金属实验验证指明方向。

本文第一作者是山东大学核科学与能源动力学院低碳能源与储能技术中心2026级博士生孔子昻，通讯作者是齐建荟。

引用格式

Kong Z, Li M, Al Moghazy M E, et al. Numerical investigation of flow and heat transfer characteristics of supercritical CO₂ in metal foam for brayton cycle heat exchangers[J]. International Communications in Heat and Mass Transfer, 2026, 180: 112812.

01 研究背景

超临界CO₂（sCO₂）Brayton循环具有热效率高、系统紧凑、应用场景广等优势，在余热回收、核能、太阳能热发电等领域备受关注。换热器是sCO₂ Brayton循环的核心部件，直接决定系统热效率与运行性能。

然而，sCO₂运行在高温高压条件下，物性变化剧烈，传统壳管式换热器和常规换热表面难以满足紧凑化、高换热强度的需求。金属泡沫具有互连孔隙网络、高导热、超大比表面积和强扰流能力，被认为是适用于紧凑式sCO₂换热器极具前景的材料。

但金属泡沫内部孔隙结构复杂，现有研究多集中在空气、水等常规流体，sCO₂在金属泡沫中的孔隙尺度流动与传热机制仍不清楚。尤其缺乏对Kelvin十四面体周期性重构泡沫结构中sCO₂流动传热的系统研究。

02 研究亮点

1）构建基于Kelvin十四面体的铜泡沫孔隙尺度模型

研究采用Kelvin十四面体（Lord Kelvin模型）作为金属泡沫单元胞，通过布尔运算生成球形孔隙，并进行三维拓扑阵列，实现孔隙率与孔密度的参数化控制。模型参数覆盖10-40 PPI、ε = 0.95-0.974，入口速度2-20 m/s，入口温度600 K，出口压力15 MPa，外壁温度750 K。

图1 Kelvin十四面体单胞与泡沫铜填充管模型（左、右，原文图3、图4）

2）揭示sCO₂在金属泡沫中的周期性压降与流阻机制

研究发现，sCO₂压力沿流动方向呈周期性衰减。当sCO₂穿过泡沫铜时，骨架迎风面形成高压区，窄小孔喉使流体加速，骨架背风侧则出现分离、回流和涡旋。随着流体逐个通过周期单胞，压力总体下降，并伴随局部压力变化。骨架阻挡、界面摩擦以及尾流耗散共同产生流动阻力。

这些扰动也不断重构热边界层、增强流体混合。研究揭示：改善换热与增加阻力，都与骨架诱导的流动扰动有关。结构优化需要兼顾热量传递与流动损失。

图2 泡沫骨架附近的绕流、加速及尾流涡旋，入口速度5 m/s（原文图15所示截面）

3）量化传热增强规律与高速湍流饱和现象

金属泡沫通过破坏热边界层、诱导涡和增强湍流混合，显著强化sCO₂换热。相同条件下，金属泡沫管Colburn因子 j 约为光滑管的5-7 倍。低流速下高孔密度优势明显：ε = 0.95、u=2 m/s 时，40 PPI的 j 比10 PPI高 36.9 %。但高流速下增强效果趋于饱和。

图3 光管与泡沫铜管的纵截面温度分布（左、右，原文图19）

4）建立 Forchheimer 压降关联式

基于Darcy-Forchheimer模型，研究建立了适用于ε = 0.974 的开尔文十四面体金属泡沫压降关联式，对本文CFD压降数据库的平均相对误差为7.25 %，可用于研究参数范围内的压降预测。

5）提出 j/f 综合评价与最优结构

研究采用 j/f 作为传热与流动阻力之间的综合筛选指标。其中， j 表征无量纲传热性能， f 表征流动阻力。在本文比较的模型中，提高孔隙率带来的阻力降低更明显，因此较高孔隙率有利于改善 j/f 。

综合筛选得到，ε = 0.974、40 PPI的结构在低至中等入口速度下表现较优。高孔密度的优势在低速区更明显；进入高速区后，不同孔密度的曲线趋近，提高孔密度的优势减弱。选择何种结构需要考虑入口速度的大小。

图5 ε = 0.974时，不同孔密度的 j/f 随入口速度变化（原文图27c）

在实际选型中，还需要考虑运行压力的影响。文中固定入口速度的算例显示，出口压力由10 MPa升至20 MPa后，压降增加97.33，%，j/f 降低26.12 %。但这一结果仅限于该算例的结构和温度条件，提醒选型时应同时考虑结构参数与工况。

03 研究结论

01 流阻来源与结构影响

金属泡沫中sCO₂的流阻主要来自骨架撞击、孔喉加速、流动分离、尾涡和界面摩擦。孔隙率从0.974降至0.95，单位压降增大幅度超过 66 %；孔密度从10 PPI 增至40 PPI，单位压降增大幅度超过 259%。摩擦因子 f 对孔隙率敏感，但对孔密度不敏感。

02 传热增强与湍流饱和

金属泡沫管 j 约为光滑管的 5-7 倍。低流速下，40 PPI 的 j 比 10 PPI 高 36.9%；高流速下，不同孔密度的 j 趋于常数，结构扰动对换热的增强效果接近饱和。金属泡沫管出口平均温度可达616.4 K，光滑管为606.8 K。

03 综合性能与最优结构

j/f 随入口速度增加先快速下降后趋于稳定。高孔隙率有利于提高 j/f，高孔密度在低中速下更有优势。综合筛选确定 ε = 0.974、40 PPI 为低中速下最优结构。出口压力从10 MPa 提高到20 MPa，压降增加 97.33%，j/f 降低 26.12%，说明运行压力也是重要设计参数。

04 关联式与局限性

建立的Forchheimer压降关联式MRE为7.25 %。研究采用理想周期Kelvin几何，无法完全复现真实泡沫随机拓扑；使用空气介质验证了数值方法，但尚未直接验证sCO₂关联式。未来仍需要开展高温高压sCO₂金属泡沫实验，进一步完善本文工作。

04 作者介绍

第一作者：Ziang Kong（孔子昻），山东大学核科学与能源动力学院博士生。主要研究方向为超临界CO₂动力循环及关键部件的设计与性能分析，重点关注CO₂压缩机气动设计与优化、近临界流体边界层分离与转捩，以及泡沫金属强化传热。