淺談帶斜截半橢圓柱面空冷器的傳熱和流阻特性數(shù)值模擬

（哈爾濱空調(diào)股份有限公司，黑龍江 哈爾濱 150078）

淺談帶斜截半橢圓柱面空冷器的傳熱和流阻特性數(shù)值模擬

左俐莎

（哈爾濱空調(diào)股份有限公司，黑龍江 哈爾濱 150078）

在矩形通道內(nèi)部，斜截半橢圓柱面為一種綜合特性強(qiáng)、流動(dòng)損失低且其流阻特性與傳熱效果受柱面參數(shù)影響的渦流發(fā)生器，在沒有外功作用下，有助于增強(qiáng)空調(diào)空冷器側(cè)的傳熱特性，降低其流阻，對(duì)于實(shí)現(xiàn)空冷器等換熱設(shè)備的節(jié)能具有重要意義。本文在簡析了斜截半橢圓柱面渦流發(fā)生器及空冷器模型參數(shù)的基礎(chǔ)上，以三角形小翼渦流發(fā)生器為比較對(duì)象，重點(diǎn)對(duì)帶斜截橢圓柱面空冷器對(duì)流換熱的傳熱特性及其阻流特性進(jìn)行數(shù)值模擬分析，以期為工程應(yīng)用實(shí)踐提供有力參考。

斜截帶橢圓柱面；空冷器；阻流特性；傳熱

一、斜截半橢圓柱面與空冷器模型參數(shù)簡析

在本文的數(shù)值模擬分析中，空調(diào)用空冷器分別采用兩排叉排、順排圓管的圓管布置方式進(jìn)行空冷器布置。在數(shù)值模擬分析中，渦流發(fā)生器與空冷器模型參數(shù)分別如下：三角形小翼與斜截半橢圓柱面為渦流發(fā)生器的兩種主要類型。若以W、l、h、α、β分別表示渦流發(fā)生器的寬度、長度、后緣高度以及斜截角、攻角，則斜截半橢圓柱面模型參數(shù)有l(wèi)=4.78mm、w=h=2.39 mm、α=20°、β=45°；三角形小翼模型參數(shù)有l(wèi)=4.78 mm、h=2.39 mm、β=45°。采用叉排與順排布置方式的空冷器具有幾何對(duì)稱性特征，在渦流發(fā)生器布置時(shí)，于圓管后緣的兩側(cè)處對(duì)其實(shí)施對(duì)稱性布置，在空氣流動(dòng)過程中，后緣流動(dòng)向高而前緣低，且在縱向與橫向兩個(gè)方向上與圓管圓心間距皆是圓管直徑的1/2倍。若n、p、ST、SL、d分別表示空冷器的管排數(shù)、翅片間距、橫向與縱向管間距、圓管外徑等，則空冷器模型參數(shù)有n=2，p=3.18mm、ST=25.38mm、SL=21.97mm、d=10.21mm。對(duì)于日?？照{(diào)用空冷器而言，在層流流動(dòng)工況之下，其空氣流速多≤6m·s-1，則相應(yīng)的Reynolds數(shù)多在2200以內(nèi)。

二、帶斜截半橢圓柱面空冷器傳熱特性與流阻特性分析

（一）數(shù)值模擬與結(jié)果分析

在數(shù)值模擬計(jì)算過程中，以北方地區(qū)的夏季所用的冷式冷凝器作為分析實(shí)例，模擬分析中假設(shè)制冷劑一直處在溫度恒定、濕蒸汽狀態(tài)之下，且設(shè)環(huán)境空氣溫度為303K，且不考慮翅片以及管壁自身具有的導(dǎo)熱熱阻。若用j、f、R、Pr、△P、At、Ac分別表示空冷器的傳熱因子、摩擦因子、平均對(duì)流傳熱系數(shù)、空氣Prandtl數(shù)、進(jìn)出口壓力損失、流道總換熱面積與最小橫截面積，則有：

其中p與U分別表示空氣密度及其平均流速。在數(shù)值模擬計(jì)算中，選用SIMPLE算法對(duì)速度與壓力實(shí)施耦合，且運(yùn)用二階迎風(fēng)格式為能量與動(dòng)量的方程離散格式，并采用如下方程通用式控制計(jì)算區(qū)的能量、動(dòng)量與質(zhì)量。

方程為：

其中，通用方程式因變量為φ，且φ=｛T、w、v、u｝，且廣義項(xiàng)與廣義擴(kuò)散系數(shù)分別為гφ與Sφ。在計(jì)算過程中，渦流發(fā)生器壁面以及流體兩側(cè)邊界分別為絕緣邊界與對(duì)稱邊界在模擬計(jì)算中，空氣流動(dòng)與換熱都能夠?qū)崿F(xiàn)充分發(fā)展，且邊界條件有：w=v=0，T=T0、U=U0。

通過數(shù)值模擬計(jì)算發(fā)現(xiàn)，在沒有布置渦流發(fā)生器時(shí)，兩種圓管布置方式向比較而言，順排管空冷器的傳熱因子j值、摩擦因子f值均要低于叉排空冷器，其中j值約低14%～93%，f值約低30%-76%。在布置有渦流發(fā)生器時(shí)，叉排空冷器強(qiáng)化傳熱效果基本一致，而順排布置方式下，三角形小翼的傳熱效果要低于斜截半橢圓柱面，約高于1.2%。同時(shí)，順排與叉排布置方式下，相較于三角形小翼的空冷器流阻而言，斜截半橢圓柱面的流阻分別降低2%與4.5%左右。此外，若采用斜截半橢圓柱面布置，當(dāng)空氣Prandtl數(shù)大于1000或1300時(shí)，三角形小翼與斜截半橢圓柱面均對(duì)叉排空冷器產(chǎn)生減小流阻的效果，其中斜截半橢圓柱面的減阻效果最為明顯，最低可減小6%左右。

（二）傳熱與流阻特性分析

根據(jù)以上分析，若在布置渦流發(fā)生器時(shí)，以順排布置方式為例，若空氣Reynolds數(shù)為2000時(shí)，在布置過程中，在上翅片與管壁兩者的結(jié)合位置會(huì)出現(xiàn)馬蹄渦現(xiàn)象，而在管后緣位置，斜截半橢圓柱面會(huì)出現(xiàn)端部渦現(xiàn)象。在柱面的阻擋之下，下翅片與管壁兩者的結(jié)合位置的蹄渦現(xiàn)象不明顯。所產(chǎn)生的蹄渦與端部渦渦旋的旋轉(zhuǎn)方向是相反的，且均具有縱向渦的特性。其中，馬蹄渦具有破壞翅片與管壁壁面的作用，從而使空氣邊界層得以減薄甚至遭到破壞，并在橫向與縱向兩個(gè)方向上，促進(jìn)邊界層與流道主流區(qū)域空氣能量以及動(dòng)量等的交換，最終使空冷器的傳熱特性得以強(qiáng)化。而在叉排布置方式下，渦流發(fā)生器同樣也會(huì)誘導(dǎo)馬蹄渦與端部渦進(jìn)行相互作用，實(shí)現(xiàn)空冷器傳熱特性的強(qiáng)化。

對(duì)比三角形小翼與斜截半橢圓柱面兩種渦流發(fā)生器形式而言，三角形小翼的迎流截面要稍小于斜截半橢圓柱面，其產(chǎn)生的流動(dòng)阻力要大于采用流線型設(shè)計(jì)的斜截半橢圓柱面，可見在布置半橢圓柱面的空冷器內(nèi)可獲得更為均勻的內(nèi)流場，斜截半橢圓柱面的背風(fēng)與迎流面的管后滯止區(qū)消除效果也占有突出優(yōu)勢。

綜上分析可見，在不同圓管布置方式下，渦流發(fā)生器對(duì)順排布置方式下空冷器傳熱強(qiáng)化效果要低于叉排布置方式；且其流動(dòng)減阻效果也要低于叉排布置方式下渦流發(fā)生器對(duì)空冷器的減阻效果。此外，采用叉排布置方式，進(jìn)行空冷器管布置之后，產(chǎn)生的管后滯止區(qū)域流動(dòng)損失相對(duì)較小。由此可見，在工程實(shí)際應(yīng)用中，斜截半橢圓柱面是一種具有較低流動(dòng)損失，具有強(qiáng)化傳熱以及流動(dòng)減阻等綜合性能的渦流發(fā)生器，在其布置過程中時(shí)，采用叉排空冷器管進(jìn)行布置，可獲得較高的綜合特性。

[1]高猛，周國兵.矩形通道中斜截半橢圓柱面?zhèn)鳠岷土髯钄?shù)值模擬[J].中國電機(jī)工程學(xué)報(bào)，2011（17）：72-78.

[2]周國兵，楊來順，馮知正，何靜.柱面梯形翼強(qiáng)化直接空冷凝汽器換熱及其流阻性能的數(shù)值模擬[J].中國電機(jī)工程學(xué)報(bào)，2012（23）：55-63.

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