仿生鲨鱼肤齿管内流动传热特性研究

宋霞; 李丰; 岳宝; 黎辉玲; 孙西辉; 张超超; 任建华

doi:10.12465/issn.0253-4339.20250611001

您当前的位置：

首页 >

文章列表页 >

仿生鲨鱼肤齿管内流动传热特性研究

更新时间：2026-10-13

- 仿生鲨鱼肤齿管内流动传热特性研究
- Numerical Investigation of Flow and Heat Transfer Characteristics Inside a Tube with Bio-Inspired Shark Skin Denticles
- 制冷学报 2026年47卷第5期页码：160-172
- 作者机构：
  
  1.广东省建筑楼宇热储能技术重点实验室 528311 佛山
  2. 广东美的暖通设备有限公司 528311 佛山
- 作者简介：
  
  岳宝，男，高级工程师，广东美的暖通设备有限公司楼宇科技事业部先行研究中心主任，13250354390，E-mail：yuebao@midea.com。研究方向：制冷空调技术，智慧楼宇。
- 基金信息：
- DOI：10.12465/issn.0253-4339.20250611001
  中图分类号： TB61⁺1;TK124.4
- 收稿：2025-06-11，
  
  修回：2025-08-16，
  
  录用：2025-08-18，
  
  纸质出版：2026-10-16
- 稿件说明：
移动端阅览
宋霞,李丰,岳宝等.仿生鲨鱼肤齿管内流动传热特性研究[J].制冷学报,2026,47(05):160-172.

Song Xia,Li Feng,Yue Bao,et al.Numerical Investigation of Flow and Heat Transfer Characteristics Inside a Tube with Bio-Inspired Shark Skin Denticles[J].Journal of Refrigeration,2026,47(05):160-172.
宋霞,李丰,岳宝等.仿生鲨鱼肤齿管内流动传热特性研究[J].制冷学报,2026,47(05):160-172. DOI： 10.12465/issn.0253-4339.20250611001.

Song Xia,Li Feng,Yue Bao,et al.Numerical Investigation of Flow and Heat Transfer Characteristics Inside a Tube with Bio-Inspired Shark Skin Denticles[J].Journal of Refrigeration,2026,47(05):160-172. DOI： 10.12465/issn.0253-4339.20250611001.

摘要

借鉴鲨鱼皮肤表面天然形成的沟槽状结构的减阻效应，本文提出了仿生鲨鱼肤齿结构，并评估了其在管内单相流动中的强化传热和减阻效果。仿生鲨鱼肤齿由沿主流流向突起的长条肋齿和流线型附齿组成，通过嵌合式交错有规律地排布在管内表面，由此形成了有规律的流动沟槽，能够将壁面附近涡流约束在沟槽内部，防止壁面流向涡的横向迁移，减小了涡横向迁移所引起的动量交换，由此起到减阻效果。此外，肤齿能够有效起到扰流作用，增强壁面对流传热效应，由此带来传热系数的提升。结果表明：影响鲨鱼肤齿减阻提效效果的主要因素是肤齿高度和排布密集程度，随着肤齿高度和肤齿排布密集程度的增加，扰流作用越显著，传热系数的提升效果增强，但减阻效果都会经历一个先增强后减弱的过程，因此存在一个较优的肤齿高度和排布密集程度；在本文所研究的7 mm外径管条件下，在管内流动雷诺数为4 500~9 500时，鲨鱼肤齿的较优齿高为0.07 mm，较优的肋齿间距

和

分别为2.3 mm和0.6 mm。与光管相比，带鲨鱼肤齿的内齿管的减阻效果达到约3.0%，传热能力提升约8.0%。

Abstract

Inspired by the drag-reducing effect of natural riblet-like structures on shark skin， this study proposes a biomimetic shark skin denticle structure and evaluates its heat transfer enhancement and drag reduction performance in the single-phase flow regime. The bio-inspired denticles consist of longitudinally protruding riblets and streamlined auxiliary riblets arranged in an interlocking， staggered pattern along the inner tube surface. This configuration forms well-organized flow channels that effectively confine near-wall vortices within the grooves， preventing the transverse migration of wall-flow vortices and reducing the momentum exchange caused by vortex cross-flow， thereby achieving drag reduction. Furthermore， denticles generate flow disturbances that enhance the convective heat transfer， leading to improved heat transfer coefficients. The primary factors affecting drag reduction and thermal performance were the denticle height and arrangement d

ensity. As the denticle height increased and the arrangement became more compact， the flow disturbance intensified， resulting in a greater heat transfer enhancement. However， the drag reduction effect was initially improved and then deteriorated， indicating the existence of an optimum denticle height and arrangement density. For the studied tube with a 7 mm outer diameter at Reynolds numbers ranging from 4 500 to 9 500， the optimum denticle height was determined to be 0.07 mm， with optimal riblet spacings

and

of 2.3 mm and 0.6 mm， respectively. Compared to a smooth tube， the sharkskin denticle tube achieved an approximately 3.0% reduction in flow resistance and an 8.0% improvement in heat transfer capacity.

关键词

Keywords

references

马善军 . 凝汽器不锈钢管腐蚀特性及防控方法研究［D］. 北京：华北电力大学， 2017 .

Ma Shanjun . Research on corrosion characteristics and its preventing methods of stainless steel tubes in condenser ［D］. Beijing ： North China Electric Power University ， 2017 .

陶文铨 . 传热学［M］. 5版 . 北京：高等教育出版社， 2019 .

Tao Wenquan . Heat transfer ［M］. 5th ed . Beijing ： Higher Education Press ， 2019 .

王莉，张立圣，方贤德，等 . 管内单相流强迫对流湍流传热关联式研究［J］. 航空科学技术， 2019 ， 30 （ 3 ）： 49 - 55 .

Wang Li ， Zhang Lisheng ， Fang Xiande ， et al . Study of correlations of forced convection heat transfer of single-phase turbulent pipe flow ［J］. Aeronautical Science and Technology ， 2019 ， 30 （ 3 ）： 49 - 55 .

Gnielinski V . New equations for heat and mass transfer in turbulent pipe and channel flow ［J］. International Chemical Engineering ， 1976 ， 16 （ 2 ）： 359 - 368 .

Dittus F W ， Boelter L M K . Heat transfer in automobile radiators of the tubular type ［J］. International Communications in Heat and Mass Transfer ， 1985 ， 12 （ 1 ）： 3 - 22 .

王瑞，肖瑶，顾汉洋，等 . 螺旋管内单相流动周向非均匀传热现象的数值模拟［J］. 上海交通大学学报， 2020 ， 54 （ 7 ）： 688 - 696 .

Wang Rui ， Xiao Yao ， Gu Hanyang ， et al . Numerical simulation of circumferential non-uniform heat transfer of single-phase flow in helical pipes ［J］. Journal of Shanghai Jiao Tong University ， 2020 ， 54 （ 7 ）： 688 - 696 .

崔海亭，姚仲鹏，杨英俊 . 螺旋槽纹管管内单相油传热及流阻的实验研究［J］. 化工机械， 2001 ， 28 （ 3 ）： 132 - 134 .

Cui Haiting ， Yao Zhongpeng ， Yang Yingjun . An experimental investigation on the heat transfer and flow resistance of the single phase oil in the spiral fluted tubes with various structures ［J］. Chemical Engineering & Machinery ， 2001 ， 28 （ 3 ）： 132 - 134 .

张兰，候朝兵，刘尚卿，等 . 花柄管管内单相传热与流动特性的实验与数值研究［J］. 制冷与空调（四川）， 2019 ， 33 （ 5 ）： 565 - 569 .

Zhang Lan ， Hou Chaobing ， Liu Shangqing ， et al . Experimental and numerical study on single-phase heat transfer and flow characteristics in flower tubes ［J］. Refrigeration and Air Conditioning ， 2019 ， 33 （ 5 ）： 565 - 569 .

付萍，李蔚，王旭光 . 涟漪纹管内R22单相传热与流动特性的实验与数值研究［J］. 热科学与技术， 2016 ， 15 （ 4 ）： 290 - 297 .

Fu Ping ， Li Wei ， Wang Xuguang ， et al . Experimental and numerical study of heat transfer and friction resistance for R22 in dimpled and textured tube ［J］. Journal of Thermal Science and Technology ， 2016 ， 15 （ 4 ）： 290 - 297 .

周安平 . 多头内螺纹管内单相流动与换热试验研究［D］. 大连：大连理工大学， 2018 .

Zhou Anping . Single-phase flow and heat transfer inside horizontal tubes with multi-start internal helical fins ［D］. Dalian ： Dalian University of Technology ， 2018 .

Carnavos T C . Heat transfer performance of internally finned tubes in turbulent flow ［J］. Heat Transfer Engineering ， 1980 ， 1 （ 4 ）： 32 - 37 .

Carnavos T C . Cooling air in turbulent flow with internally finned tubes ［J］. Heat Transfer Engineering ， 1979 ， 1 （ 2 ）： 41 - 46 .

Brognaux L J ， Webb R L ， Chamra L M ， et al . Single-phase heat transfer in micro-fin tubes ［J］. International Journal of Heat and Mass Transfer ， 1997 ， 40 （ 18 ）： 4345 - 4357 .

Withers J G . Tube-side heat transfer and pressure drop for tubes having helical internal ridging with turbulent/transitional flow of single-phase fluid. Part 1. Single-helix ridging ［J］. Heat Transfer Engineering ， 1980 ， 2 （ 1 ）： 48 - 58 .

Copetti J B ， Macagnan M H ， De Souza D ， et al . Experiments with micro-fin tube in single phase ［J］. International Journal of Refrigeration ， 2004 ， 27 （ 8 ）： 876 - 883 .

李隆键，崔文智，辛明道 . 螺旋管内单相及沸腾的强化换热与阻力特性实验［J］. 核动力工程， 2005 ， 26 （ 1 ）： 6 - 10 .

Li Longjian ， Cui Wenzhi ， Xin Mingdao . Experiments on heat transfer enhancement in 3D inner finned helical pipe ［J］. Nuclear Power Engineering ， 2005 ， 26 （ 1 ）： 6 - 10 .

李晓伟，孟继安，陈泽敬，等 . 微肋管及强化微肋管换热和阻力实验研究［J］. 工程热物理学报， 2007 ， 28 （ 5 ）： 817 - 819 .

Li Xiaowei ， Meng Ji'an ， Chen Zejing ， et al . Experimental study of the flow and heat transfer of a micro-fin and an enhanced micro-fin tube ［J］. Journal of Engineering Thermophysics ， 2007 ， 28 （ 5 ）： 817 - 819 .

席有民，余建祖，高红霞，等 . 单相液体微槽散热研究进展［J］. 制冷学报， 2008 ， 29 （ 4 ）： 24 - 29 .

Xi Youmin ， Yu Jianzu ， Gao Hongxia ， et al . Research development of single phase liquid heat transfer in microchannel ［J］. Journal of Refrigeration ， 2008 ， 29 （ 4 ）： 24 - 29 .

王子星，陶文铨 . 数据中心空气冷却器的通道传热强化技术研究［J］. 制冷学报， 2026 ， 47 （ 1 ）： 105 - 112 .

Wang Zixing ， Tao Wenquan . Study on channel heat- transfer enhancement technique for data center air handling unit ［J］. Journal of Refrigeration ， 2026 ， 47 （ 1 ）： 105 - 112 .

Bechert D W ， Bruse M ， Hage W ， et al . Experiments on drag-reducing surfaces and their optimization with an adjustable geometry ［J］. Journal of Fluid Mechanics ， 1997 ， 338 ： 59 - 87 .

Dean B ， Bhushan B ，杨绍琼，等 . 湍流流动中鲨鱼皮表面流体减阻研究进展［J］. 力学进展， 2012 ， 42 （ 6 ）： 821 - 836 .

Dean B ， Bhushan B ， Yang Shaoqiong ， et al . Shark-skin surfaces for fluid-drag reduction in turbulent flow： a review ［J］. Advances in Mechanics ， 2012 ， 42 （ 6 ）： 821 - 836 .

Wang C C ， Chiou C B ， Lu D C . Single-phase heat transfer and flow friction correlations for microfin tubes ［J］. International Journal of Heat and Fluid Flow ， 1996 ， 17 （ 5 ）： 500 - 508 .

Aroonrat K ， Jumpholkul C ， Leelaprachakul R ， et al . Heat transfer and single-phase flow in internally grooved tubes ［J］. International Communications in Heat and Mass Transfer ， 2013 ， 42 ： 62 - 68 .

Bechert D W ， Bruse M ， Hage W . Experiments with three-dimensional riblets as an idealized model of shark skin ［J］. Experiments in Fluids ， 2000 ， 28 （ 5 ）： 403 - 412 .

Lee S J ， Lee S H . Flow field analysis of a turbulent boundary layer over a riblet surface ［J］. Experiments in Fluids ， 2001 ， 30 （ 2 ）： 153 - 166 .

浏览量

536

下载量

CSCD

文章被引用时，请邮件提醒。

提交

工具集

关联资源

低温非热平衡圆柱温度分布特性的数值分析与实验

面向电动汽车空调低温制热场景的热气旁通型热泵循环控制策略研究

域对抗迁移学习驱动的地铁列车空调多故障自适应诊断方法

中小型冷库用复叠系统制冷剂替代研究

遗传算法驱动冷凝器仿真模型的快速预测