一種改進型百葉窗翅片的性能數(shù)值模擬研究

唐子奇

（海軍駐上海江南造船（集團）有限責任公司軍事代表室）

0 引言

高效化、小型化、輕量化、低成本化是導航大功率設備換熱設計的發(fā)展方向，隨著導航大功率裝置中的電子元器件體積的小型化和緊湊式芯片的使用，使得器件的功率密度越來越高，這些熱量聚集在器件周圍，嚴重影響著器件的壽命及性能，因此需采用額外換熱裝置，以降低器件表面的溫度。目前大功率導航設備換熱裝置主要以平板翅片為主，重量占需換熱電子裝置重量的 50%以上[1]，由于該翅片側換熱系數(shù)及空氣側壓降的不理想，嚴重影響設備換熱效果。大量國內(nèi)外學者對緊湊型翅片進行了長期的研究，以期待提升電子設備整體換熱性能。田曉虎等[2]利用CFD軟件對百葉窗翅片空氣側流動進行模擬，仿真結果與試驗值有很高的吻合度。Joen等[3]利用實驗對低雷諾數(shù)狀態(tài)下百葉窗翅片內(nèi)部流場進行模擬分析，從層流穩(wěn)定流到非定常流的研究表明翅片形狀會影響漩渦的脫落狀態(tài)。在強化傳熱方面，Guo等[4]引入了對流換熱區(qū)域中速度場和溫度場協(xié)同的概念, 并提出了場協(xié)同原理。但上述百葉窗翅片在結構優(yōu)化及性能研究仍需要進一步闡明。

本文提出一種改進型S型百葉窗翅片，采用Fluent 軟件對平板翅片、傳統(tǒng)板式百葉窗翅片和S型百葉窗翅片進行換熱性能研究，分析并對比了三種翅片換熱量、壓降、綜合換熱因子等因素。

1 數(shù)學物理模型

本文仿真模型是假設每個翅片間距及流道是均勻的，空氣為不可壓縮流動，忽略扁管側對空氣側流動的影響，扁管內(nèi)外恒溫及空氣的重力。固體部分采用鋁制定常流材料，采用三維層流模型[5]。計算遵循三大控制方程。連續(xù)、動量、能量方程為

其中，ρ為流體密度，k/m3；u，v，w分別為流體x方向，y方向，S方向的速度矢量，單位是m/s；Γφ為通用變量。

由于翅片具有對稱性，邊界條件中對流項采用二階迎風差格式[6]，扁管與百葉窗翅片間采用氣固耦合計算[7]。以其中一個單元為研究對象，本文仿真的翅片結構參數(shù)示意圖如圖1所示。

圖1 兩種百葉翅片結構參數(shù)示意圖

網(wǎng)格仿真采用的條件下進口溫度為 308K，翅片管壁溫為 338K，迎風速度為 4m/s，非結構體網(wǎng)格。換熱性能參數(shù)定義[8]如下：

其中，T是溫度變量，Tmax=Tw-Tin，Tmin=Tw-Tout。Δp是壓降，h是換熱系數(shù)，Nu是努塞爾數(shù)，f是平均阻力系數(shù)，Q是換熱量，A是橫截面積，λ是導熱系數(shù)，R是熱阻，u是粘度系數(shù)，De是水力半徑，Pr是朗普特數(shù)。迭代收斂的指標的最大絕對值小于4×10-6。通過帶入上述公式，仿真后可知網(wǎng)格數(shù)與換熱量及壓降間的曲線關系，四種不同網(wǎng)格尺寸沿x主流方向努塞爾數(shù)與阻力系數(shù)分布，具體參數(shù)如圖2所示，四種不同網(wǎng)格尺寸相對誤差表如表1所示。

圖2 四種不同網(wǎng)格尺寸沿x主流方向的努塞爾數(shù)與阻力系數(shù)分布

表1 四種不同網(wǎng)格尺寸相對誤差表

圖2可已看出當網(wǎng)格數(shù)目為I﹑II和III時，網(wǎng)格數(shù)目的多少對數(shù)值計算的結果影響在工程誤差范圍內(nèi)，由表1可以看出網(wǎng)格數(shù)目為II相比其他網(wǎng)格數(shù)目相對誤差較小，因此選擇網(wǎng)格數(shù)目II為計算基準，網(wǎng)格考核后數(shù)量在28萬左右。同時為了保證計算的正確性，確保 各項主要殘差值在10-6以下。

2 S型百葉窗翅片數(shù)值仿真分析

為了驗證所提S型百葉窗翅片的性能，通過FLUENT軟件進行數(shù)值模擬對比仿真實驗，對文中介紹的3種翅片進行相關性能分析。實驗采用上述的 II型網(wǎng)格。翅片寬度Lh=80mm，翅片厚度h1=1.2mm，翅片長度Ld=190mm，翅片水平間距Lp=2mm，平板長度S=18mm，翅片夾角α=27o，翅片間距Fp=2，折角θ=12o，折距（L1/(L1+L2)）為1/3。

圖3 三種翅片換熱量、壓降與進口速度的關系

由圖3（a）可知在相同速度下，S型百葉窗翅片的換熱效果最好，隨著速度增加，S型百葉窗翅片換熱量成線性增態(tài)的趨勢。由圖4（b）可得三種翅片的壓降隨著進口風速的增加而呈指數(shù)增加。在相同的工況下，相比傳統(tǒng)板式百葉窗翅片與平板翅片換熱量、壓降的對比，提出的S型百葉窗翅片換熱量是傳統(tǒng)板式百葉窗翅片換熱量的 1.6～1.8倍。傳統(tǒng)板式百葉窗翅片壓降是提出的S型百葉窗翅片壓降的1.15～1.23倍。

圖4是在進口速度為2～7m/s的條件下，仿真S型百葉窗翅片、平板翅片及傳統(tǒng)板式百葉窗翅片單位泵功、單位壓降的換熱量與進口速度之間的關系。從圖4（a）可以看出在相同速度下，S型百葉窗翅片的單位壓降的換熱量最高，單位泵功最高。隨著速度的增加，三種翅片的單位壓降的換熱量均減少，并趨于一定值。在相同的工況下，相比傳統(tǒng)板式百葉窗翅片與平板翅片單位壓降的換熱量、單位泵功的對比，提出的S型百葉窗翅片單位壓降的換熱量是傳統(tǒng)板式百葉窗翅片單位壓降的換熱量的1.51～1.58倍。傳統(tǒng)板式百葉窗翅片單位泵功是提出的S型百葉窗翅片單位泵功的1.4～1.6倍。

圖4 三種翅片單位泵功、單位壓降的換熱量與進口速度的關系曲線

圖5是在對數(shù)坐標系條件下，仿真S型百葉窗翅片、平板翅片及傳統(tǒng)板式百葉窗翅片努塞爾數(shù)及平均阻力系數(shù)在計算的雷諾數(shù)區(qū)域分別是呈線性增加和線性下降的趨勢。從圖5（a）可以看出，在相同的工況下，相比傳統(tǒng)板式百葉窗翅片Nu值，提出的S型百葉窗翅片Nu值最高。Nu值分別是平板翅片的3.498～3.839倍和2.278～2.537倍。從圖5（b）可以看出，S型百葉窗翅片的平均阻力系數(shù)優(yōu)于傳統(tǒng)板式百葉窗翅片。在計算區(qū)域中，S型百葉窗翅片及傳統(tǒng)板式百葉窗翅片的平均阻力系數(shù)分別是平板翅片的2.428～2.79倍及2.76～3.1倍。

圖5 三種翅片的平均阻力系數(shù)、努塞爾數(shù)與雷諾數(shù)的關系曲線

圖6是S型百葉窗翅片、平板翅片及傳統(tǒng)板式百葉窗翅片三種翅片的熱性能比較。仿真結果表明S型百葉窗翅片的傳熱能力最好，平板翅片的傳熱能力最差。三種翅片的熱阻隨著雷諾數(shù)的增加而減少，并逐漸趨于定值。在相同工質(zhì)下，S型百葉窗翅片的熱阻性能是傳統(tǒng)板式百葉窗翅片的熱阻性能的1.2～1.28倍。

圖6 三種翅片熱性能比較

圖7是傳統(tǒng)板式百葉窗翅片、S型百葉窗翅片及平板翅片在兩種不同強化因子下與壓降及單位功泵的關系。仿真結果表明，當壓降相等時，S型百葉窗翅片的j/是平板翅片的 2.21～2.332倍，S型百葉窗翅片的j/是傳統(tǒng)板式百葉窗翅片j/的1.5～1.6倍；在相同功泵時，S型百葉窗翅片j/是平板翅片的2.596～2.75倍，S型百葉窗翅片j/是傳統(tǒng)板式百葉窗翅片j/的1.53～1.62倍。由此可得S型百葉窗翅片的綜合性能優(yōu)于平板翅片及傳統(tǒng)板式百葉窗翅片的綜合性能。

圖7 兩種強化因子的關系曲線

圖8是當v=5m/s時，沿y=0.0019m方向，S型百葉窗翅片與傳統(tǒng)板式百葉窗翅片沿程阻力系數(shù)和沿程努賽爾數(shù)的分布。由 10（a）可知，在相同條件下，S型百葉窗翅片的沿程換熱能力高于傳統(tǒng)板式百葉窗翅片的換熱能力；由 10（b）可知，S型百葉窗翅片的流動阻力基本低于傳統(tǒng)板式百葉窗翅片的流動阻力。

3 場分析

為了驗證所提的S型百葉窗翅片的換熱性能，通過FLUENT軟件性能對比仿真實驗，對文中介紹的幾種翅片進行場分析。實驗場采用進口溫度是308K，流速5m/s，翅片管帶溫度是338 K。

圖8 沿程參數(shù)分布

圖9是在相同結構參數(shù)下和相同迎風速度下，沿x、y軸方向，仿真平板翅片、傳統(tǒng)板式百葉窗翅片及S型百葉窗翅片的流線分布。由上圖可知，S型百葉窗翅片有較大的擾流、導流作用，換熱性最好；平板翅片流速均勻，無擾動流存在，換熱性最差。傳統(tǒng)板式百葉窗翅片具有較小擾流、切斷流場的功能，換熱能很強但是壓降比平板翅片高。

圖9 三種翅片的x、y軸方向的流線分布

圖10是在y=0.0019m，相同結構參數(shù)及進口速度為 5m/s條件下，平板翅片、傳統(tǒng)板式百葉窗翅片與S型百葉窗翅片的溫度分布。由圖10（c）可知，空氣隨主軸向流動減少，垂直方向溫度沿管壁向外逐漸減少，熱邊界相比平板翅片更薄，熱阻更小。因此提出的S型百葉窗翅片換熱量是平板翅片換熱量的3.03倍，是傳統(tǒng)板式百葉窗翅片的1.3倍。

圖10 三種翅片的溫度分布

圖11是在y=0.0019m，相同結構參數(shù)及進口速度為 5m/s條件下，平板翅片、傳統(tǒng)板式百葉窗翅片與S型百葉窗翅片的壓力分布。平板翅片間空氣阻力沿主流方向逐漸減少，傳統(tǒng)板式百葉窗翅片間有較大的局部阻力。S型百葉窗翅片有利于液體平緩流動的導流結構。因此S型百葉窗翅片壓降是平板翅片壓降的2.72倍。傳統(tǒng)板式百葉窗翅片壓降是S型百葉窗翅片壓降是1.1倍。

圖11 三種翅片的壓力分布

4 結論

本文利用Fluent軟件對平板翅片、傳統(tǒng)板式百葉窗翅片和S型百葉窗翅片進行換熱性能研究，采用氣固耦合傳熱面方法及SIMPLEC算法進行三維數(shù)學建模型，分析并對比了三種翅片的綜合性能。仿真結果表明：

（1）現(xiàn)導航設備使用的平板翅片流速均勻，且無擾動流存在，而傳統(tǒng)板式百葉窗翅片具有較小的擾流和切斷流場的功能，具有較強的換熱能，但是壓降比平板翅片高；S型百葉窗翅片不僅具有較大的擾流作用，可增強換熱力，而且具有導流作用，減少壓降；

（2）當2

（3）S型百葉窗翅片強化傳熱的本質(zhì)是存在改善平板翅片中的流場與溫度場的協(xié)同作用。