薄板式油汀取暖器散熱效果的仿真研究

李　哲 劉　超 翟?shī)^樓，3 李嬌嬌

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薄板式油汀取暖器散熱效果的仿真研究

李哲1，2劉超1翟?shī)^樓1，3李嬌嬌1

（1.北京市計(jì)算中心 北京 100094；2.云計(jì)算關(guān)鍵技術(shù)與應(yīng)用北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 北京 100094；3.“互聯(lián)網(wǎng)+”智能裝備云服務(wù)技術(shù)北京市工程實(shí)驗(yàn)室 北京 100094）

采用計(jì)算機(jī)仿真分析的方法，應(yīng)用流體力學(xué)計(jì)算軟件Fluent，基于VOF自由液面模型和雙方程模型，對(duì)油汀取暖器散熱進(jìn)行數(shù)值仿真，得到取暖器內(nèi)部的溫度分布、板面溫度分布以及內(nèi)部流場(chǎng)分布。在油汀取暖器原始環(huán)形流道結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，對(duì)取暖器的內(nèi)部流道進(jìn)行改進(jìn)優(yōu)化，設(shè)計(jì)出豎向環(huán)形流道和橫豎向環(huán)形流道結(jié)構(gòu)的油汀取暖器，并進(jìn)行數(shù)值仿真。對(duì)比分析三種不同流道結(jié)構(gòu)在相同加熱功率下內(nèi)部流場(chǎng)流動(dòng)均勻性和對(duì)外換熱性能，得出橫豎向環(huán)形流道結(jié)構(gòu)的取暖器有最佳換熱性能的結(jié)論，確定為優(yōu)化設(shè)計(jì)方案。目前，桑普電器已將橫豎向環(huán)形流道結(jié)構(gòu)的油汀取暖器推出市場(chǎng)。

取暖器；散熱性能；計(jì)算機(jī)仿真

0 引言

充油式取暖器體內(nèi)充有導(dǎo)熱油，接通電源后，取暖氣下端電熱管周圍的導(dǎo)熱油首先被加熱，溫度升高密度變小，熱流體上升到腔體上部，冷流體填充熱流體的位置，形成沿散熱管或散熱片的對(duì)流循環(huán)[1]。此種取暖器有使用壽命長(zhǎng)、安全、衛(wèi)生和無(wú)味等優(yōu)點(diǎn)，缺點(diǎn)是耗電多、散熱慢。取暖器內(nèi)部流道的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)對(duì)其內(nèi)部導(dǎo)熱油流動(dòng)性和換熱性能有決定性作用。桑普公司為了解決傳統(tǒng)電暖氣結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中存在的問(wèn)題，與北京市科學(xué)技術(shù)研究院聯(lián)合研究，改造電暖氣結(jié)構(gòu)，開(kāi)發(fā)了新一代環(huán)形流道取暖氣。本文應(yīng)用Fluent軟件分別對(duì)三種環(huán)形流道結(jié)構(gòu)的油汀取暖器的內(nèi)部流場(chǎng)和換熱進(jìn)行仿真，分析換熱效果，為取暖氣結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供依據(jù)[2]。

1 幾何結(jié)構(gòu)

三種不同的環(huán)形油道取暖器結(jié)構(gòu)如表1所示，結(jié)構(gòu)Gk1為原始結(jié)構(gòu)取暖器的環(huán)形流道結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)Gk2的環(huán)形流道之間通過(guò)豎向流道相通，為豎向環(huán)形流道，結(jié)構(gòu)Gk3的環(huán)形流道之間通過(guò)豎向流道聯(lián)通上下環(huán)道，橫向流道聯(lián)通左右環(huán)道，形成橫豎向環(huán)形流道。

表1 三種環(huán)形油道取暖器的結(jié)構(gòu)

2 數(shù)值仿真

2.1 網(wǎng)格剖分

取暖氣換熱性能的仿真包括流道內(nèi)部冷熱流體流動(dòng)仿真和外部散熱板對(duì)外散熱仿真兩個(gè)方面，需要同時(shí)剖分出取暖氣內(nèi)部流道的流體網(wǎng)格和取暖氣散熱板的結(jié)構(gòu)網(wǎng)格。在保證計(jì)算結(jié)果精度又最大程度降低計(jì)算成本的前提下，對(duì)取暖氣散熱板采用四面體單元進(jìn)行剖分，內(nèi)部流道采用六面體單元進(jìn)行剖分[3]。Gk3的結(jié)構(gòu)網(wǎng)格和流體網(wǎng)格剖分如圖1所示。

圖1 Gk3的流道網(wǎng)格和結(jié)構(gòu)網(wǎng)格

2.2 邊界條件

取暖器內(nèi)部為封閉結(jié)構(gòu)，流道內(nèi)大部分體積充滿導(dǎo)熱油，上部小部分體積作為導(dǎo)熱油熱漲的預(yù)留空間有空氣混雜其中。溫度高的導(dǎo)熱油密度小，溫度低的導(dǎo)熱油密度大，密度造成的重力差是冷熱流體在流道內(nèi)循環(huán)流動(dòng)的動(dòng)力。在設(shè)置導(dǎo)熱油的物性參數(shù)時(shí)，導(dǎo)熱油密度隨溫度的變化尤為重要。此外，由溫度變化引起的比熱容、導(dǎo)熱系數(shù)、粘度的變化也會(huì)對(duì)仿真的結(jié)果造成影響。所以，在仿真計(jì)算時(shí)，將導(dǎo)熱油密度、比熱容、導(dǎo)熱系數(shù)、粘度等物性參數(shù)設(shè)置為溫度的函數(shù)。忽略溫度對(duì)空氣物性和固體結(jié)構(gòu)導(dǎo)熱性的影響[4-6]。

取暖器流體部分的邊界分為三部分：流體網(wǎng)格與結(jié)構(gòu)網(wǎng)格耦合的部分，設(shè)置為couple，為流體熱傳遞到面板的位置；加熱棒部分，本文計(jì)算工況的加熱功率為1000W，折算到加熱面上的功率為43000W/m2。其余位置無(wú)熱傳導(dǎo)，設(shè)置為wall。面板的對(duì)外散熱只考慮熱對(duì)流，不考慮熱輻射，設(shè)置對(duì)流換熱系數(shù)為25.5W/m·K。

2.3 計(jì)算模型

應(yīng)用計(jì)算流體力學(xué)軟件Fluent，選擇standard-湍流模型計(jì)算內(nèi)部基本流場(chǎng)，VOF模型計(jì)算導(dǎo)熱油和空氣的分界面[7]。計(jì)算選擇基于壓力的求解器，考慮重力因素的影響，各控制方程用二階迎風(fēng)格式進(jìn)行離散，壓力速度耦合方式選用PISO算法[8]，對(duì)取暖氣內(nèi)部流場(chǎng)、溫度場(chǎng)及取暖氣面板溫度場(chǎng)進(jìn)行瞬態(tài)計(jì)算。計(jì)算時(shí)監(jiān)測(cè)中面上的溫度變化，當(dāng)平均溫度基本不變時(shí)，認(rèn)為達(dá)到了平衡狀態(tài)。

3 結(jié)果分析

對(duì)取暖氣內(nèi)部流場(chǎng)和外部面板換熱散熱進(jìn)行耦合計(jì)算，分別得到Gk1、Gk2、Gk3三種結(jié)構(gòu)取暖氣內(nèi)部流場(chǎng)溫度分布和取暖氣外表面上的溫度分布。

取暖器內(nèi)部導(dǎo)熱油的溫度分布如表2所示。

表2 導(dǎo)熱油的溫度分布圖

三種結(jié)構(gòu)的取暖器板面溫度分布及板面最高、最低溫度如表3所示。

表3 板面溫度分布圖與最高及最低溫度值

從以上結(jié)果中看出，Gk3結(jié)構(gòu)的導(dǎo)熱油換熱完成之后溫度分布相對(duì)于其他兩種方案更加均勻。從板面溫度分布圖及溫度最值可以得出，雖然Gk1結(jié)構(gòu)的最高溫度較高，但是從溫度分布均勻程度來(lái)看，Gk3結(jié)構(gòu)的換熱效果更好。

經(jīng)過(guò)對(duì)比分析，目前桑普電器已經(jīng)將結(jié)構(gòu)Gk3應(yīng)用于實(shí)際生產(chǎn)，如圖2所示為型號(hào)DB2221M的超薄電熱油汀取暖氣。

圖2 超薄電熱油汀取暖氣DB2221M

4 結(jié)論

本文利用FLUENT軟件對(duì)薄板式油汀取暖器的散熱效果進(jìn)行了研究。三種結(jié)構(gòu)Gk1、Gk2和Gk3中，散熱效果對(duì)比為Gk3最好，Gk1次之，Gk2的散熱效果最差。

采用計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)能夠在設(shè)計(jì)完成之后，樣品生產(chǎn)之前進(jìn)行產(chǎn)品的散熱性能進(jìn)行仿真，較準(zhǔn)確的預(yù)測(cè)換熱的過(guò)程及溫度分布，以此為依據(jù)評(píng)價(jià)設(shè)計(jì)方案的可行性。在降低實(shí)驗(yàn)費(fèi)用的同時(shí)縮短研發(fā)周期。希望此仿真技術(shù)能夠越來(lái)越多的應(yīng)用于新產(chǎn)品的研發(fā)創(chuàng)新過(guò)程中。

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Simulation Research on Heat Dissipation Effect of Sheet Type Oil-filled Electric Radiator

Li Zhe1,2Liu Chao1Zhai Fenlou1,3Li Jiaojiao1

( 1.Beijing Computing Center, Beijing, 100094;2.The Beijing Key Lab for Cloud Computing Technology and Applications, Beijing, 100094;3.The Beijing Engineering Lab for "Internet plus" Intelligent Equipment Cloud Services Technology, Beijing, 100094 )

Computional simulation method was adopted in this paper to research on heat dissipation effect of sheet type oil-filled electric radiator, based on VOF free surface model and standard-two-equation turbulence model with CFD code Fluent，obtained the temperature distribution and flow distribution inside the electric radiator, temperature distribution on the outside surface of radiator as also. According to the simulation results of original radiator(Gk1), optimized the internal flow channel and designed out other two structure radiator, one with annular channel connected by vertical channel(Gk2), while another with annular channel connected by horizontal and vertical channel(Gk3). Analyzed the simulation results，we came to the conclusion that the radiator Gk3 dissipated heat with highest efficiency, and chosen Gk3 as final design. Gk3 has been put on the market by Sampux.

Electric Radiator; heat dissipation effect; simulation

1671-6612（2017）03-324-04

TP391.9

A

李哲（1981-），男，博士，E-mail：lizhe@bcc.ac.cn

劉超（1986-），女，碩士，助理研究員，E-mail：liuchao@bcc.ac.cn

2016-05-19