基于Fluent的汽車空調(diào)冷凝器翅片寬度仿真分析

侯獻(xiàn)軍，云 祥，劉志恩

（1.武漢理工大學(xué)汽車工程學(xué)院，湖北 武漢 430070；2.現(xiàn)代汽車零部件技術(shù)湖北省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖北 武漢 430070）

冷凝器是汽車空調(diào)制冷時(shí)系統(tǒng)的高壓設(shè)備，裝在壓縮機(jī)排氣口與節(jié)流裝置之間，由空調(diào)壓縮機(jī)中排出的高溫高壓氣體，進(jìn)入冷凝器，通過銅管和鋁箔片散熱冷卻，空調(diào)器中裝有風(fēng)冷式冷卻風(fēng)扇，使制冷劑在冷卻凝結(jié)過程中，壓力不變，溫度降低［1］。冷凝器芯體部分主要由扁管和翅片組成，主要通過翅片和扁管進(jìn)行換熱，提高翅片與空氣的換熱面積可以增大換熱量［2］。增加翅片百葉窗數(shù)量會(huì)增加對空氣的擾動(dòng)作用，產(chǎn)生渦流并增大流動(dòng)阻力［3］。翅片百葉窗角度、百葉窗間距、翅片長度、翅片間距、扁管寬度等參數(shù)變化會(huì)對冷凝器傳熱和流動(dòng)性能產(chǎn)生影響［4－7］。翅片寬度的改變，會(huì)導(dǎo)致壓降和換熱性能的改變。筆者以D310冷凝器芯體為模型，對不同寬度的翅片進(jìn)行CFD分析，獲得其風(fēng)阻、單位面積換熱量、換熱系數(shù)等數(shù)據(jù)，通過分析比較，得出換熱量和風(fēng)阻隨翅片寬度變化的規(guī)律，從而選取最合理翅片寬度，使性能最優(yōu)。

1 模型的建立及邊界條件的設(shè)置

1.1 控制方程

三維不可壓、穩(wěn)態(tài)、常物性流體流動(dòng)的控制方程如下［8］:

連續(xù)性方程為:

動(dòng)量方程為:

能量方程為:

式中:ρ為空氣密度;λ為空氣導(dǎo)熱系數(shù);cp為空氣比熱;ui、uj、uk為 i、j、k 方向的速度;xi、xj、xk為i、j、k方向的坐標(biāo);μ為動(dòng)力粘度為平均壓力。

1.2 物理模型的建立

冷凝器的結(jié)構(gòu)如圖1所示，翅片寬度和扁管寬度組成芯體的厚度，扁管中間有流動(dòng)介質(zhì)，而翅片通過空氣流動(dòng)進(jìn)行換熱，翅片模型如圖2所示，翅片寬度是指翅片在空氣流動(dòng)方向上的寬度。筆者對翅片寬度進(jìn)行單一參數(shù)的分析，而其他參數(shù)保持不變。由于每片百葉窗的寬度為0.92 mm，而翅片寬度的變化量為兩片百葉窗的寬度，因此參照經(jīng)驗(yàn)值，以1.84 mm的間隔，分別取翅片寬度為12.32 mm、14.16 mm、16.00 mm、17.84 mm、19.68 mm 和 21.52 mm。

圖1 冷凝器結(jié)構(gòu)示意圖

圖2 冷凝器翅片模型

采用ICEM劃分網(wǎng)格，翅片模型計(jì)算域網(wǎng)格如圖3所示，網(wǎng)格為非結(jié)構(gòu)四面體網(wǎng)格，數(shù)量為90萬個(gè)。

圖3 翅片模型計(jì)算域網(wǎng)格

1.3 基本假設(shè)和邊界條件的設(shè)置

基于Fluent的汽車空調(diào)冷凝器翅片寬度仿真主要假設(shè)有:空氣為不可壓縮氣體；忽略重力影響；在傳熱過程中，由于時(shí)間很短，認(rèn)為翅片的溫度保持不變（實(shí)際情況下翅片溫度應(yīng)該略有降低）；流體在流動(dòng)過程中作定常流動(dòng)。

空氣溫度為35℃，設(shè)定的翅片溫度為60℃，風(fēng)速為3 m/s，翅片間距為1.3 mm，采用二階精度，標(biāo)準(zhǔn)k－ε方程；設(shè)置進(jìn)口為速度入口 ，出口為壓力出口，不同翅片寬度CFD模擬仿真邊界條件如表1所示。

表1 不同翅片寬度CFD模擬仿真邊界條件

2 冷凝器實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

為了驗(yàn)證上述CFD仿真分析的可靠性，采用了實(shí)驗(yàn)臺(tái)架對冷凝器模型進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，冷凝器試驗(yàn)臺(tái)架如圖4所示。實(shí)驗(yàn)過程中需要用到冷凝器、蒸發(fā)器、壓縮機(jī)、高壓管路、低壓管路等空調(diào)配件以及相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)配件，實(shí)驗(yàn)條件下冷凝器和蒸發(fā)器都有各自的冷凝器室和蒸發(fā)器室，根據(jù)制冷系統(tǒng)的流程，所有的制冷管道需要焊配連接好，并根據(jù)要求安裝溫度傳感器和壓力傳感器連接軟管，溫度、壓力在同一位置測量，該測點(diǎn)應(yīng)盡量位于換熱器或壓縮機(jī)端口的直管段，溫度傳感器要逆向安裝。實(shí)驗(yàn)過程中所有的傳感器測點(diǎn)和連接必須正確，密封性要合格，并且無工質(zhì)泄漏現(xiàn)象。

圖4 冷凝器實(shí)驗(yàn)臺(tái)架

實(shí)驗(yàn)中入口冷媒絕對壓力為1620±5 kPa，冷凝器前面進(jìn)風(fēng)溫度為35℃，入口冷媒過熱度為25℃，出口冷媒過熱度為5℃，迎面風(fēng)速為3 m/s，翅片寬度為16 mm，循環(huán)制冷劑中的冷凍機(jī)油含量5%（質(zhì)量）以下的條件下，測量風(fēng)阻，實(shí)驗(yàn)要求風(fēng)阻值≤45 Pa。

冷凝器的實(shí)驗(yàn)結(jié)果一般是通過多次測量取平均值的方法獲得，并通過多次實(shí)驗(yàn)來驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)的可靠性。實(shí)驗(yàn)過程中會(huì)對空氣側(cè)進(jìn)出口溫度和壓力、制冷劑側(cè)進(jìn)出口溫度和壓力、風(fēng)阻、芯流阻、換熱量、制冷劑流量等多個(gè)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行監(jiān)測和記錄，保證實(shí)驗(yàn)過程和實(shí)驗(yàn)結(jié)果的正確性，對冷凝器性能評(píng)估起作用的實(shí)驗(yàn)結(jié)果包括風(fēng)阻、芯流阻、換熱量等。由于是對翅片局部進(jìn)行仿真計(jì)算，故采用風(fēng)阻的實(shí)驗(yàn)結(jié)果作為對比參數(shù)，仿真結(jié)果和實(shí)驗(yàn)結(jié)果對比如表2所示，仿真結(jié)果和實(shí)驗(yàn)結(jié)果均小于45 Pa的實(shí)驗(yàn)要求值，在相同條件下，仿真和實(shí)驗(yàn)風(fēng)阻的絕對誤差為0.29 Pa，相對誤差為0.81%，仿真結(jié)果和實(shí)驗(yàn)結(jié)果比較吻合，說明仿真結(jié)果可以較好地模擬真實(shí)情況，為后續(xù)工作奠定了基礎(chǔ)。

表2 仿真結(jié)果和實(shí)驗(yàn)結(jié)果對比

3 仿真結(jié)果與分析

3.1 不同翅片寬度對換熱性能的影響

換熱量由翅片的總換熱面積乘以翅片單位面積的換熱量得到，風(fēng)阻由進(jìn)出口的壓差得到。通過CFD分析可以得到的數(shù)據(jù)有進(jìn)口壓力、出口壓力、單位面積的換熱量、換熱系數(shù)等。不同翅片寬度的溫度分布云圖如圖5所示。隨著芯體厚度的增加，百葉窗數(shù)量增加，空氣流動(dòng)區(qū)域的距離和阻擋也增加，空氣進(jìn)入翅片后受到百葉窗的擾動(dòng)和阻力增大，換熱效果變差，出口附近溫度越高，空氣與翅片的換熱越少，從而單位面積換熱量越小。隨著翅片寬度的增加，空氣與翅片的換熱越來越不充分。

圖5 不同翅片寬度的溫度分布云圖

3.2 不同翅片寬度對流體流動(dòng)的影響

不同翅片寬度的速度分布流線圖如圖6所示，可以看出在相同風(fēng)速條件下，不同翅片寬度下的內(nèi)部流體擾動(dòng)情況不同，翅片寬度越大，百葉窗數(shù)量越多，對空氣的擾動(dòng)越強(qiáng)烈，在百葉窗附近產(chǎn)生一系列渦流，引起流動(dòng)阻力增加，擾動(dòng)所產(chǎn)生的渦流數(shù)量越多，造成的壓力及能量損失也越大。

圖6 不同翅片寬度的速度分布流線圖

3.3 不同翅片寬度對壓力分布的影響

不同翅片寬度的壓力分布云圖如圖7所示，隨著翅片寬度的增加，百葉窗的數(shù)量增加，百葉窗對流動(dòng)空氣的擾動(dòng)和阻力加強(qiáng)，通過翅片的流體受到的阻力增大，壓差值逐漸增大。由圖7可看出，12.32 mm翅片寬度的最大壓力值為40 Pa左右，而21.52 mm翅片寬度的最大壓力值為60 Pa。

圖7 不同翅片寬度的壓力分布云圖

3.4 仿真結(jié)果分析

翅片不同寬度時(shí)的CFD仿真結(jié)果如表3所示，隨著翅片寬度的增加單位面積換熱量逐漸減小。每增加1.84 mm的翅片寬度，換熱面積S以0.63 m2的增長量增加，總換熱量 Q增長量在2.4% ～4.8%之間。

表3 不同翅片寬度CFD換熱結(jié)果

不同翅片寬度換熱系數(shù)h和風(fēng)阻△P折線圖如圖8所示，從折線走勢可以看出，風(fēng)阻隨翅片寬度的增大而增大，換熱系數(shù)隨翅片寬度的增大而減小，并且其變化趨勢逐漸平緩。隨著翅片寬度的增大，每增加1.84 mm的翅片寬度，風(fēng)阻ΔP增加約3.0～5.5 Pa，換熱系數(shù) h減小6% ～10%。

圖8 不同翅片寬度換熱系數(shù)h和風(fēng)阻△P折線圖

翅片寬度增加的同時(shí)，換熱系數(shù)減小，但是換熱量和風(fēng)阻都在增加，不便于對整體性能做出比較，因此采用h×S/△P和h/△P的比值作為比較依據(jù)。不同翅片寬度h×S/△P和h/△P值如圖9所示，虛線表示其變化趨勢，兩條曲線都是呈下降的趨勢，說明了風(fēng)阻的增大趨勢比換熱系數(shù)及換熱量的增大趨勢快，翅片的整體性能在逐漸下降，不可以盲目依靠增加翅片寬度來增大換熱量，否則導(dǎo)致風(fēng)阻增長過快，同時(shí)會(huì)增加材料成本從而降低能源利用率。但是在保證風(fēng)阻滿足要求的情況下，并且風(fēng)阻存在一定的可上升空間時(shí)，可以通過增加翅片寬度來彌補(bǔ)換熱不足，適當(dāng)提高換熱量。實(shí)驗(yàn)中的翅片可以將寬度增加到17.84 mm，該寬度下的風(fēng)阻為 41.72 Pa，小于 45 Pa，滿足要求，并可以提高3.8%的換熱量。

圖9 不同翅片寬度h×S/△P和h/△P值

4 結(jié)論

（1）建立了汽車空調(diào)冷凝器翅片寬度的模型，完成了翅片寬度仿真分析的基本假設(shè)和邊界條件設(shè)置，仿真得到不同翅片寬度的溫度分布云圖、速度流線圖、壓力分布云圖，獲得了不同翅片寬度下的換熱和流動(dòng)情況。

（2）隨著翅片寬度的增加，對流動(dòng)過程中流體的擾流強(qiáng)度也會(huì)增加，同時(shí)會(huì)增大流動(dòng)阻力，導(dǎo)致風(fēng)阻增大，并降低換熱效率。每增加1.84 mm的翅片寬度，風(fēng)阻增大3.0～5.5Pa，其單位面積換熱量降低6% ～10%，但是換熱面積以0.63 m2的增長量增加，總換熱量仍然在增加，其增長量為2.4% ～4.8%。

（3）過度增加翅片寬度來增大換熱量的方式會(huì)造成風(fēng)阻增長過快，同時(shí)增加材料成本從而降低能源利用率，在保證風(fēng)阻滿足條件并有上升空間的前提下，可以通過增加翅片寬度彌補(bǔ)換熱之不足。

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