窗翅間距比和翅片厚度對斜針形百葉窗翅片式散熱器換熱性能的影響的研

陳金友　楊林　漆波

摘 要：對斜針形百葉窗翅片建立了三維數(shù)值計算模型，研究了斜針形翅片窗翅間距比和翅片厚度對散熱器換熱性能的影響。結(jié)果表明：斜針形翅片厚度越大，其傳熱系數(shù)和壓降越大，并且窗翅間距比在0.9～1.1范圍內(nèi)呈現(xiàn)高效流動，研究結(jié)論對工程實際具有理論指導(dǎo)意義。

關(guān)鍵詞：斜針形百葉窗翅片 數(shù)值模擬 翅片厚度 窗翅間距比

中圖分類號：TK124 文獻標(biāo)識碼：A 文章編號：1672-3791（2018）11（b）-0079-05

百葉窗翅片式散熱器由于結(jié)構(gòu)緊湊、換熱效率高的特點被廣泛的應(yīng)用于能源、化工、汽車等行業(yè)。目前對于百葉窗翅片的研究主要在于翅片形式的改變及翅片結(jié)構(gòu)參數(shù)的優(yōu)化方面，在新型的百葉窗翅片結(jié)構(gòu)方面，張麗娜等人[1]提出一種梭形百葉窗翅片，與矩形百葉窗翅片結(jié)構(gòu)相比，其換熱性能和流阻性能更好。王迎慧等人[2]提出一種階梯型百葉窗翅片，階梯型百葉窗翅片在較低雷諾數(shù)下，傳熱因子和摩擦因子均高于矩形百葉窗翅片，但在高雷諾數(shù)下其換熱性能提升并不明顯。江樂新等人[3]對縱翅片結(jié)構(gòu)形式進行了研究，發(fā)現(xiàn)百葉窗翅片間距越大，其進出口溫度差和壓降越小，翅片窗翅角越大，其壓降越大。針對百葉窗翅片的結(jié)構(gòu)參數(shù)，各國學(xué)者也進行了大量的研究。寇磊[4]、周益民[5]、Hsieh[6]等人對百葉窗翅片窗翅角進行了研究，發(fā)現(xiàn)在一定的雷諾數(shù)范圍內(nèi)，窗翅角均存在著最優(yōu)值，同時，Hsieh發(fā)現(xiàn)在百葉窗翅片換向區(qū)兩側(cè)翅片變角度分布會對傳熱性能產(chǎn)生很大的影響，并且楊鳳葉等人[7]經(jīng)過分析會后提出了新的變角度窗翅角結(jié)構(gòu)。田曉虎等人[8]對百葉窗翅片間距進行了分析，發(fā)現(xiàn)隨著百葉窗翅片間距的增加，冷凝器的換熱系數(shù)和壓降均在減小。此外，寇磊等人[9]發(fā)現(xiàn)，隨著百葉窗翅片間距的增大，其j、f因子均是先增大后減小的趨勢，且在研究的百葉窗翅片間距范圍內(nèi)出現(xiàn)極值。本文主要研究新型斜針形百葉窗翅片斜針角度和百葉窗翅片間距對換熱性能的影響，為工程應(yīng)用提供理論指導(dǎo)。

1 模型的建立及邊界條件的設(shè)置

針對斜針形百葉窗翅片建立了物理模型，結(jié)構(gòu)如圖1所示，具體結(jié)構(gòu)參數(shù)如表1所示。

流體傳熱都應(yīng)滿足三大守恒方程，即動量守恒、質(zhì)量守恒和能量守恒，其控制方程如下[10]：

為減少計算的工作量，提高計算速度，取計算區(qū)域的一半進行計算。百葉窗翅片迎面風(fēng)速為3～8m/s，通過以百葉窗翅片間距為特征尺寸計算得到雷諾數(shù)在400～1200范圍內(nèi)，因此確定計算模型為層流模型。本文建立的斜針形百葉窗翅片模型假定為穩(wěn)態(tài)不可壓縮流動，具體邊界條件的設(shè)置如圖2所示，采用速度進口和自由出流出口，空氣進口溫度為308K，冷卻扁管壁面溫度為358K，設(shè)上下表面為周期性邊界，流動方向的中心剖面設(shè)為對稱面，斜針形百葉窗翅片表面設(shè)為耦合傳熱面。流體和固體計算區(qū)域采用三棱柱網(wǎng)格，同時對斜針角等局部進行了網(wǎng)格加密，整個計算區(qū)域網(wǎng)格數(shù)量達到76萬，同時進行了網(wǎng)格無關(guān)性檢測，網(wǎng)格質(zhì)量控制在0.68，流體區(qū)域網(wǎng)格劃分如圖3所示。

2 數(shù)值計算結(jié)果與經(jīng)驗關(guān)聯(lián)式結(jié)果比較

在對斜針形百葉窗翅片的結(jié)構(gòu)參數(shù)進行研究之前，需對數(shù)值模型進行驗證，本文以Chang，et al[11，12]關(guān)聯(lián)式作為參照，將數(shù)值計算結(jié)果與關(guān)聯(lián)式計算結(jié)果進行比較，驗證模型的正確性。此處數(shù)值計算參數(shù)為：斜針角10°、百葉窗間距和翅片間距分別為1.7mm、1.2mm，數(shù)值計算結(jié)果與關(guān)聯(lián)式結(jié)算結(jié)果對比如圖4所示。

由圖4可知，j、f因子均隨著雷諾數(shù)的增加而減小，并且雷諾數(shù)在400～600范圍內(nèi)，數(shù)值計算值與關(guān)聯(lián)式計算值相差較大，隨著雷諾數(shù)的增大，兩者的差值越來越小。通過計算發(fā)現(xiàn)，數(shù)值計算與關(guān)聯(lián)式計算的、因子平均偏差分別為2.06%和13.46%，均在工程允許偏差20%之內(nèi)，其結(jié)果能夠滿足工程要求。

3 窗翅間距比和翅片厚度對斜針類型翅片換熱性能的影響

3.1 窗翅間距比對斜針形翅片換熱性能的影響

在研究百葉窗翅片散熱器結(jié)構(gòu)參數(shù)對傳熱性能的影響時，往往都是單獨的分析各個參數(shù)的影響，但在實際研究過程中發(fā)現(xiàn)，有一些參數(shù)并不是孤立單一的作用，而是與其他結(jié)構(gòu)參數(shù)同時作用，相互影響。因此本文將百葉窗間距與翅片間距結(jié)合起來，考慮窗翅間距比對斜針形百葉窗翅片的影響。

本文主要考慮窗翅間距比對傳熱性能的影響，對于翅片間距和百葉窗間距采取確定一個參數(shù)，變化另一參數(shù)來研究的方法進行，這里通過變化翅片間距來進行計算，因此結(jié)構(gòu)參數(shù)選取如下：窗翅角θ=27°、斜針角α=22°、百葉窗間距Lp=1.7mm、翅片厚度δ=0.1mm。通過變化12組不同的翅片間距，得到Lp/Fp的范圍：0.61～1.7，不同翅片間距下間距比的值如表2所示。

圖5為不同迎面風(fēng)速下，斜針形百葉窗翅片傳熱系數(shù)和壓降隨窗翅間距比值的變化情況。由圖可知，迎面風(fēng)速為7m/s時，斜針形百葉窗翅片的傳熱系數(shù)和壓降均為最大，且在不同風(fēng)速下，傳熱系數(shù)與壓降都是隨著窗翅間距比的增大而增大。通過計算分析發(fā)現(xiàn)，在間距比值為1.52時，3種迎面風(fēng)速下傳熱系數(shù)出現(xiàn)極值，即在一定雷諾數(shù)范圍內(nèi)，存在最佳的窗翅比使得斜針形百葉窗翅片的換熱能力最強。文獻[13]指出，百葉窗翅片散熱器內(nèi)部流體流動存在著低效和高效流動，并且這兩種流動與創(chuàng)翅間距比有關(guān)。對于本文研究的斜針形百葉窗翅片，高效流動發(fā)生在窗翅間距比為0.9～1.1范圍內(nèi)。相對于普通百葉窗翅片，斜針形百葉窗翅片有效流動的范圍更大，且高效流動的窗翅間距比更大，這也從側(cè)面說明斜針形百葉窗翅片的綜合換熱性能優(yōu)于普通百葉窗翅片。

3.2 翅片厚度對斜針形翅片換熱性能的影響

為研究翅片厚度對斜針形翅片換熱和流阻性能的影響，本文分別對五種不同翅片厚度Fh斜針形翅片建立了數(shù)值計算模型，主要結(jié)構(gòu)參數(shù)為：窗翅角θ=27°、斜針角α=22°、百葉窗間距Lp=1.7mm、翅片厚度δ=0.1mm。五組Fh值呈以0.02為公差，首項為0.06的等差數(shù)列，其值分別為0.06mm、0.08mm、0.1mm、0.12mm、0.14mm。

圖6為不同翅片厚度下，斜針形百葉窗翅片溫度等值線分布圖，圖中從上至下翅片厚度依次為0.06mm、0.1mm、0.14mm。從圖中可以清楚地看到，當(dāng)迎面風(fēng)速一定、進口溫度一樣的情況下，空氣經(jīng)過不同厚度的斜針形翅片后，空氣流體的出口溫度發(fā)生了變化，翅片厚度越厚，其空氣出口溫度越高，換熱效果越好。為進一步研究翅片厚度對斜針形翅片換熱性能的影響，對不同迎面風(fēng)速、不同翅片厚度的斜針形翅片進行數(shù)值計算，其傳熱系數(shù)和壓降隨迎面風(fēng)速的變化如圖7所示。

從圖7中可以清楚地看到，不同斜針形翅片厚度下的傳熱系數(shù)和壓降均隨著迎面風(fēng)速的增大而變大，并且斜針形翅片厚度為0.14mm時，傳熱系數(shù)和壓降最大，在翅片厚度為0.06mm時，傳熱系數(shù)和壓降最小，這說明斜針形翅片厚度越大其換熱能力越強。通過計算可知，翅片厚度為0.14mm與翅片厚度為0.06mm的傳熱系數(shù)最大相差21.93%，而兩種翅片厚度下的壓降最大相差為12.3%，說明斜針形翅片厚度對換熱系數(shù)的影響大于壓降的影響。分析產(chǎn)生這種現(xiàn)象的原因：從斜針形百葉窗翅片的結(jié)構(gòu)來看，當(dāng)翅片厚度增加時，在散熱器外形尺寸一定的情況下，斜針形翅片厚度的增加會使空氣流經(jīng)的通道變小，因此其壓降會增大。同時，在流通空氣質(zhì)量一定的情況下，流通面積的減小會使流體的流速增大，在單位時間內(nèi)流經(jīng)翅片表面的空氣會增加，這樣更有利于換熱，因此翅片厚度的增加會使傳熱系數(shù)相應(yīng)的增大。

4 結(jié)論

本文通對斜針形百葉窗翅片進行了數(shù)值計算，并對斜針形翅片厚度及窗翅間距比等結(jié)構(gòu)參數(shù)對百葉窗翅片散熱器換熱性能的影響進行了研究，得到了以下結(jié)論。

（1）將數(shù)值計算結(jié)果與經(jīng)驗關(guān)聯(lián)式計算結(jié)果進行了比較，兩種計算方式下j、f因子平均偏差分別為2.06%和13.46%，滿足工程誤差要求，證明了數(shù)值計算方法的可行性。

（2）建立了12組不同窗翅間距比計算模型，窗翅間距比范圍為0.61～1.7。計算發(fā)現(xiàn)傳熱系數(shù)和壓降變化趨勢都是隨著窗翅間距比的增大而增大，但當(dāng)間距比值為1.52時，傳熱系數(shù)出現(xiàn)極大值，并且斜針形散熱器內(nèi)的高效流動發(fā)生在窗翅間距比為0.9～1.1范圍時。

（3）對5種不同翅片厚度進行了數(shù)值計算，發(fā)現(xiàn)隨著翅片厚度的增大，壓降和傳熱系數(shù)均增大，且在相同迎面風(fēng)速下，最大壓降與最小壓降、最大傳熱系數(shù)與最小傳熱系數(shù)的差值分別為12.3%、21.93%，這也說明翅片厚度的增加能提升斜針形百葉窗翅片散熱器的換熱性能。

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