新型百葉窗翅片對(duì)流換熱特性研究

張麗娜，高長(zhǎng)銀，劉敏珊

(1.鄭州航空工業(yè)管理學(xué)院，河南鄭州 450015;2.鄭州大學(xué)，河南鄭州 450002)

0 引言

百葉窗翅片對(duì)空氣造成擾流，從而使邊界層變薄，降低熱阻，所以百葉窗式空氣冷卻器被廣泛應(yīng)用于汽車空調(diào)換熱器。近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外許多學(xué)者對(duì)百葉窗翅片換熱器的流動(dòng)、傳熱和阻力特性進(jìn)行試驗(yàn)和模擬研究［1－5］。AOKI等［6］通過(guò)對(duì)百葉窗翅片傳熱的試驗(yàn)研究得到，空氣流速較低，隨著翅片間距的增加，傳熱系數(shù)降低;同時(shí)，在28°～30°百葉窗角度，傳熱系數(shù)達(dá)到最大值。ANTONIOU等［6］通過(guò)放大模型試驗(yàn)研究，發(fā)現(xiàn)在ReLp達(dá)到1300，流動(dòng)保持層流和穩(wěn)定狀態(tài);當(dāng)ReLp＞1300，該第一或第二百葉窗開始湍流。TAFTI等［8］從葉窗翅片結(jié)構(gòu)研究中發(fā)現(xiàn)，ReLp等于400時(shí)，百葉窗出口尾流處出現(xiàn)失穩(wěn)。由于結(jié)構(gòu)參數(shù)(如百葉窗角度、百葉窗間距、百葉窗長(zhǎng)度、翅片間距等)較多，優(yōu)化百葉窗翅片結(jié)構(gòu)，需要很長(zhǎng)的時(shí)間，同時(shí)試驗(yàn)費(fèi)用較高;而數(shù)值模擬研究克服了這些困難，同時(shí)，能夠獲得較為詳細(xì)和直觀的翅片間流動(dòng)與傳熱信息，從而被廣泛應(yīng)用于研究。

HSIEH等［9］利用數(shù)值模擬方法，對(duì)百葉窗翅片不同的角度下，換熱器的傳熱和壓降特性進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)不同傾斜角度相對(duì)同一種傾斜角度時(shí)，具有較高的傳熱特性，但還具有較高的阻力損失。PERROTIN等［10］對(duì)緊湊式百葉窗換熱器進(jìn)行了二維和三維數(shù)值模擬研究，發(fā)現(xiàn)二維模型高估了傳熱系數(shù)(高達(dá)80%)，使用三維模型的計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)數(shù)據(jù)非常接近。

文中在矩形百葉窗的基礎(chǔ)上提出了梭形、矩/梭形百葉窗結(jié)構(gòu)，矩/梭表示百葉窗翅片矩形長(zhǎng)度與梭形長(zhǎng)度的比，相鄰百葉窗中間翅片部分(固體)切除，形成流體流動(dòng)通道。由于在接近管壁附近，邊界層較厚，梭形、矩/梭形百葉窗形狀為中間較寬，從中間向管連接方向漸縮，流體在接近管連接部位速度較高，以較高流速?zèng)_刷管壁，相對(duì)矩形百葉窗而言，梭形、矩/梭形百葉窗管壁附近流體邊界層較薄，具有較高的溫度梯度，從而增強(qiáng)了管壁附近換熱。文中應(yīng)用FLUENT軟件，對(duì)不同百葉窗結(jié)構(gòu)下空氣的流場(chǎng)、壓力場(chǎng)和溫度場(chǎng)進(jìn)行了計(jì)算研究，分析不同Re數(shù)對(duì)換熱和流動(dòng)性能的影響。

1 模擬結(jié)構(gòu)與邊界條件

采用空調(diào)氣冷器的百葉窗翅片為實(shí)際物理模型，由于結(jié)構(gòu)的對(duì)稱性，模擬中采用一半的百葉窗翅片長(zhǎng)度。其結(jié)構(gòu)單元百葉窗翅片如圖1所示，圖1(a)為矩形百葉窗結(jié)構(gòu)、圖1(b)為梭形百葉窗結(jié)構(gòu)、圖1(c)為矩/梭形百葉窗結(jié)構(gòu)、圖1(d)為矩形長(zhǎng)度和梭形長(zhǎng)度的示意圖。模擬計(jì)算邊界條件見圖2。扁管管壁采用定壁溫358 K，在與流動(dòng)垂直方向上采用周期性邊界條件，百葉窗固體壁面與流體進(jìn)行耦合換熱，流動(dòng)介質(zhì)選用空氣，采用速度進(jìn)口，進(jìn)口溫度為308 K，壓力出口，壓力速度耦合采用SIMPLIC算法，并且采用二階迎風(fēng)格式進(jìn)行離散。網(wǎng)格劃分采用結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格和非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格相結(jié)合的技術(shù)方法，控制整個(gè)計(jì)算空間的網(wǎng)格質(zhì)量不低于0.8，同時(shí)確保網(wǎng)格數(shù)量對(duì)計(jì)算結(jié)果無(wú)影響。百葉窗翅片計(jì)算模型的具體結(jié)構(gòu)參數(shù)見表1。

圖1 不同百葉窗翅片形狀

圖2 模擬計(jì)算邊界條件

表1 模擬參數(shù)

2 模擬結(jié)果正確性驗(yàn)證

為了驗(yàn)證模擬方法的正確性，采取文獻(xiàn)［10］所給結(jié)構(gòu)，將模擬結(jié)果與試驗(yàn)值和經(jīng)驗(yàn)關(guān)聯(lián)式計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，所得結(jié)果見圖3。

傳熱j因子計(jì)算公式:

式中 h——傳熱系數(shù)，W/(m2·K)

Pr——普朗特?cái)?shù)

ρ——流體密度，kg/m3

u——流速，m/s

cp——比熱容，J/(kg·K)

阻力f因子計(jì)算公式:

式中 Δp——壓降，Pa

dh——當(dāng)量直徑，m，取百葉窗間距Lp

Uc——流體主體流速，m/s

Lc——流道長(zhǎng)度，m

圖3 模擬j因子與f因子與經(jīng)驗(yàn)關(guān)聯(lián)式計(jì)算結(jié)果以及試驗(yàn)值對(duì)比

圖3為j因子以及f因子隨ReLp變化的雙對(duì)數(shù)坐標(biāo)圖，模擬結(jié)果與經(jīng)驗(yàn)關(guān)聯(lián)式以及試驗(yàn)值的對(duì)比，可以看出，傳熱特性j因子模擬值在試驗(yàn)值與經(jīng)驗(yàn)關(guān)聯(lián)式計(jì)算值之間，結(jié)果非常接近，由于文獻(xiàn)中試驗(yàn)沒有考查壓力降特性，阻力特性f因子模擬結(jié)果僅與關(guān)聯(lián)式計(jì)算值進(jìn)行對(duì)比。從圖中還可以看出，模擬結(jié)果與關(guān)聯(lián)式計(jì)算值很接近，從而證明模擬方法的正確性。

3 模擬結(jié)果與分析

圖4示出不同百葉窗結(jié)構(gòu)傳熱和阻力特性的比較?？梢钥闯?，百葉窗翅片表面形狀的變化，導(dǎo)致傳熱和流動(dòng)特性出現(xiàn)顯著不同。梭形百葉窗翅片間流體由于接觸固體界面區(qū)域?yàn)閳A弧面，與矩形百葉窗相比，降低了流動(dòng)阻力，但同時(shí)也使傳熱面積相對(duì)減少，在一定程度上降低了換熱。梭形百葉窗由于在縱向方向流體流過(guò)區(qū)域發(fā)生變化，造成縱向擾動(dòng)，在近壁附近，傳熱得到強(qiáng)化。同時(shí)，在近壁區(qū)，流體以高流量沖刷管壁，使管壁附近的溫度梯度增高，從而使傳熱強(qiáng)化。從圖4中還可以看出，低雷諾數(shù)時(shí)，百葉窗翅片由梭形和梯形組合具有良好的傳熱和流動(dòng)特性，具有很高的傳熱因子j，同時(shí)摩擦系數(shù)f也較低。其梭形和矩

圖4 不同百葉窗結(jié)構(gòu)傳熱和阻力特性的比較

圖5示出不同百葉窗傳熱特性j因子對(duì)比?？梢钥闯?，梭形百葉窗和梭/矩(1/1)形百葉窗的傳熱特性j因子變化曲線比較接近，梭形百葉窗流動(dòng)截面變化比較大，流體湍動(dòng)程度增加，可使傳熱增強(qiáng)，但梭形百葉窗傳熱面積相對(duì)減小較大，這又使傳熱減弱，綜合兩方面的影響，這兩種結(jié)構(gòu)的傳熱特性基本相同。同理，矩/梭(2/1)和矩/梭(3/1)形百葉窗結(jié)構(gòu)的傳熱特性基本相同。

圖5 不同百葉窗傳熱特性j因子對(duì)比

圖6示出阻力特性f因子的對(duì)比曲線。可以看出，4種結(jié)構(gòu)相比較，梭形百葉窗的阻力特性f因子最低，矩/梭(2/1)和矩/梭(3/1)形百葉窗結(jié)構(gòu)阻力特性f因子相對(duì)較高，矩/梭(2/1)形百葉窗結(jié)構(gòu)的阻力特性f因子相對(duì)較低。梭形與矩形相結(jié)合的百葉窗結(jié)構(gòu)具有較好的傳熱，但阻力系數(shù)相對(duì)較高。實(shí)際情況中，需要綜合考慮傳熱和阻力兩種特性的影響。形長(zhǎng)度所占的比例存在一個(gè)優(yōu)化的空間，使得傳熱和流動(dòng)效果達(dá)到最好。下面對(duì)梭形和矩形不同比例組合下的傳熱和流動(dòng)特性進(jìn)行考查，優(yōu)化出最優(yōu)結(jié)構(gòu)。

圖6 不同百葉窗阻力特性f因子對(duì)比

試驗(yàn)和理論研究中發(fā)現(xiàn)，換熱增強(qiáng)通常以阻力的增加為代價(jià)，因此有必要考察傳熱和流動(dòng)阻力的綜合熱力性能［11－12］，根據(jù) WEBB 等［13］提出的強(qiáng)化流道與光滑直管的直觀、明確的評(píng)價(jià)指標(biāo)，即相同換熱面積和泵功條件下，強(qiáng)化流道與光管的換熱量之比。流體流過(guò)換熱段所需泵功為:

式中 Δp——換熱段壓降，Pa

V——流體體積流量，m3/s根據(jù)這個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)，對(duì)5種不同結(jié)構(gòu)的單位面積換熱量隨泵功變化進(jìn)行研究，見圖7。

從相同泵功下，單位面積換熱量對(duì)比曲線圖(見圖7)中可以看出，矩形百葉窗單位面積換熱量相對(duì)較低。梭形和矩/梭(1/1)百葉窗結(jié)構(gòu)的百葉窗單位面積換熱量非常接近，矩/梭(2/1)和矩/梭(3/1)百葉窗結(jié)構(gòu)的百葉窗單位面積換熱量非常接近。在泵功較低時(shí)，梭形百葉窗和矩/梭形百葉窗結(jié)構(gòu)單位面積換熱量相差較小;隨著泵功的增加，矩/梭(2/1)和矩/梭(3/1)形百葉窗結(jié)構(gòu)具有較高的單位面積換熱量，說(shuō)明這兩種結(jié)構(gòu)綜合性能較好。

圖7 不同百葉窗綜合性能對(duì)比

4 結(jié)論

對(duì)5種不同結(jié)構(gòu)的百葉窗結(jié)構(gòu)的對(duì)流換熱特性進(jìn)行模擬研究，得到以下結(jié)論:

(1)由于變截面的影響，梭形百葉窗翅片和矩形與梭形相結(jié)合的百葉窗翅片，由于沿百葉窗高度方向，流動(dòng)截面發(fā)生變化，有較多流體沖刷加熱壁面，從一定程度上使傳熱增強(qiáng)，同時(shí)換熱面積相對(duì)矩形百葉窗減小，可使換熱相對(duì)減弱，綜合兩種因素對(duì)換熱的影響，矩/梭(2/1)形百葉窗有較高的傳熱特性j因子，傳熱性能較好。

(2)對(duì)比不同結(jié)構(gòu)的阻力特性f因子，梭形百葉窗和矩/梭(1/1)形百葉窗結(jié)構(gòu)具有較低的阻力，而矩/梭(2/1)形百葉窗和矩/梭(3/1)形百葉窗阻力因子相對(duì)較高。

(3)對(duì)比不同結(jié)構(gòu)的綜合性能，矩/梭(2/1)和矩/梭(3/1)形百葉窗結(jié)構(gòu)具有較高的單位面積換熱量。由于矩/梭(2/1)形百葉窗結(jié)構(gòu)傳熱特性相對(duì)較高，阻力因子較低，同時(shí)矩形和梭形兩者比例相對(duì)較低，便于制造和節(jié)省材料，建議使用此種結(jié)構(gòu)的百葉窗翅片。

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