平行流冷凝器百葉窗迎面風(fēng)速的數(shù)值模擬

丁銘　侍園園　黃永麗　朱行

【摘 要】論文主要對迎面風(fēng)速對平行流冷凝器空氣側(cè)百葉窗的空氣流動和傳熱效果的影響進行了數(shù)值模擬，得到換熱量和換熱系數(shù)沿翅片變化的規(guī)律;對不同風(fēng)速下溫度、壓力流場進行了對比;分析了不同風(fēng)速下單位面積換熱量與風(fēng)阻的關(guān)系。同時，論文做了空氣側(cè)壓降與實驗關(guān)聯(lián)式對比驗證，驗證結(jié)果與論證基本一致，驗證了模型的準(zhǔn)確性。

【Abstract】This paper mainly numerical simulates the influence of the face velocity on the airflow and heat transfer effect of the louver fins on the multi-unit parallel-flow type condenser， and obtains the law of the change of heat transfer and heat transfer coefficient along the fins; compares the temperature and pressure-flow fields under different wind speeds; and analyzes the relationship between the heat transfer per unit area and windage under different wind speeds. At the same time， the paper makes a comparison of the air-side pressure drop and the experimental correlation， and the verification results were basically consistent with the argumentation， which verified the accuracy of the mode.

【關(guān)鍵詞】百葉窗翅片;空氣側(cè)壓降;風(fēng)阻;換熱量;數(shù)值模擬

【Keywords】louver fin; air-side pressure drop; windage; heat transfer; numerical simulation

【中圖分類號】TK124? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 【文獻(xiàn)標(biāo)志碼】A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 【文章編號】1673-1069（2019）09-0150-03

1 引言

汽車空調(diào)冷凝器作為一種風(fēng)冷式冷凝器，其制冷效果很大程度上會受到外界環(huán)境變化的影響。當(dāng)夏季外界溫度較高時，冷凝器為達(dá)到散熱要求需要更大的換熱面積，但是受限于汽車尺寸，只有通過改進結(jié)構(gòu)形式來保證在迎風(fēng)面積受限的情況下盡可能提高傳熱效率[1]。多元平行流冷凝器的熱阻主要在空氣側(cè)，減小空氣側(cè)熱阻是提升換熱效率的有效方法。本文通過數(shù)值模擬，分析了平行流冷凝器百葉窗翅片的空氣流動和換熱性能，對于平行流冷凝器的設(shè)計和改進提供重要的參考依據(jù)[2]。

2 物理模型

平行流冷凝器芯體左右兩側(cè)有兩根集流管，以多孔扁管相通，扁管之間由百葉窗翅片組成芯體。工作時，制冷劑從集流管a流入扁管中，經(jīng)過多孔扁管流入集流管b中，再從集流管b流進集流管a的下一流程，直至流出。扁管之間連接有百葉窗翅片，翅片可以極大地增加傳熱面積，并且加快空氣流速，使得熱量最大程度地被空氣帶走[3]。根據(jù)冷凝器的幾何特征，其流道均勻且每層間距一樣，結(jié)構(gòu)具有周期性和對稱性特征，為節(jié)約資源和提高效率，對最小的百葉窗單元進行空氣換熱研究十分必要。為了保證入口空氣流速均勻、出口無回流、充分發(fā)展，對進出口空氣側(cè)的計算域做了加長處理。百葉窗翅片結(jié)構(gòu)參數(shù)取值如表1所示。

3 數(shù)學(xué)模型

3.1 控制方程

連續(xù)性方程：=0（1）

動量方程為：（ρμi μj）=[μ（+-·μ）]-? ?（2）

能量方程為：

（ρμicpT）=[λ]+[μ（+）-μ]

（3）

ρ——空氣密度;

λ——空氣導(dǎo)熱系數(shù);

cp——空氣比熱;

μi、μj、μk——i、j、k方向的速度;

χi、χj、χk——i、j、k方向的坐標(biāo);

μ——動力粘度;

——平均壓力。

3.2 建立翅片單元的三維模型

采用ANSYS mesh劃分網(wǎng)格，計算域劃分采用非結(jié)構(gòu)四面體，劃分出來的網(wǎng)格單元節(jié)點連接的網(wǎng)格數(shù)目不同，這樣可以很好地處理百葉窗和翅片的接觸區(qū)域。網(wǎng)格劃分完成，百葉窗模型計算域如圖1所示，網(wǎng)格數(shù)量為101132個。

3.3 邊界條件設(shè)置

①空氣入口設(shè)為速度進口：vX=v，vy=vZ=0，T=303.15K

②空氣出口為壓力出口：=0

③前后兩個面為對稱性邊界條件：=0，v=0，

④與百葉窗平行的上下面為周期性邊界條件：φ（x，y，zmin）=φ（x，y，zmin）=φ（x，y，zmin+Fn）

4 模型計算結(jié)果分析

本文研究的是空氣入口風(fēng)速對百葉窗冷凝器換熱性能的影響，保持百葉窗結(jié)構(gòu)參數(shù)不變只改變空氣進口速度，以1m/s為步長設(shè)置迎面風(fēng)速為1～5m/s，對換熱器的流動和換熱情況進行分析。

4.1 翅片表面換熱量與換熱系數(shù)的沿程變化

由于百葉窗翅片是不連續(xù)的，沿翅片方向斷成眾多小節(jié)，將均勻流過的空氣在各個表面不同程度地破壞，達(dá)到強化傳熱的目的，導(dǎo)致百葉窗表面不同位置的換熱量與換熱系數(shù)有很大差別。換熱系數(shù)與換熱量沿程變化幅度劇烈，變化規(guī)律呈波浪狀，在每一片百葉窗邊界的前緣，即為換熱量與換熱系數(shù)極大值生成的地方。百葉窗前半部位置換熱量要明顯高于后半部分，冷氣空氣流經(jīng)前半部分使得整體溫度上升，導(dǎo)致后半程散熱效果沒前半部明顯，并且后半段的百葉窗布局的變化也會導(dǎo)致散熱的差距出現(xiàn)[4]。

4.2 溫度流場分布對比

分別計算空氣入口風(fēng)速是1～5m/s時對稱面上百葉窗翅片溫度分布狀況，對稱面是百葉窗中心橫截面。由計算得出：流體區(qū)域內(nèi)，沿著流動方向，溫度由高至低發(fā)生不穩(wěn)定變化，在靠近翅片的區(qū)域溫度升高顯著，這得益于百葉窗翅片的高換熱系數(shù)。并且在百葉窗流域靠近入口的區(qū)域，溫差變化大，靠近出口的區(qū)域溫度梯度較小，說明空氣換熱主要集中在前半段;在垂直于翅片的方向上，越靠近翅片的位置溫度越高，溫度梯度變化越大?？諝獬隹谔帲骘L(fēng)速越小，溫度會越高，原因是空氣流量減小導(dǎo)致單位空氣的換熱量增大，從而空氣溫升增大。

4.3 壓力流場對比

當(dāng)入口風(fēng)速分別為1m/s和5m/s時，觀察翅片附近的最高壓力與最低壓力與風(fēng)速的關(guān)系：在垂直百葉窗翅片方向上，距離百葉窗翅片越近的區(qū)域，表面壓力越小，距離較遠(yuǎn)的區(qū)域壓力越大，這是由于空氣流經(jīng)翅片表面，空氣受到阻礙，形成流速差，靠近翅片表面的地方空氣速度相對較小，動壓也小，而靠近壁面的區(qū)域空氣流速大，動壓也較大。平行于翅片方向上，當(dāng)入口風(fēng)速為1m/s時，入口與出口處的壓力分別為5.118Pa與-0.5394Pa，總的壓降為5.6574Pa;當(dāng)速度為5m/s時，壓力降達(dá)到75.30Pa。隨著風(fēng)速的增大，總壓降的增速呈上升趨勢（出口邊界的壓力值是0Pa，計算得到的各個區(qū)域的壓力值都是相較出口邊界壓力值得出的）。在一定范圍內(nèi)，壓降和換熱系數(shù)都隨著風(fēng)速增大而逐漸增大，提高入口風(fēng)速可以提高換熱能力，但同時壓力損失也是增大的。

4.4 空氣側(cè)壓降模擬結(jié)果與實驗擬合式的對比

為了驗證數(shù)值模擬結(jié)果的準(zhǔn)確性，本文通過實驗擬合式對模擬結(jié)果進行驗證。某些學(xué)者對91種不同形式百葉窗翅片進行了實驗，將實驗數(shù)據(jù)擬合，得出傳熱和阻力性能計算公式[5]。該公式涉及換熱器百葉窗角度、間距，翅片間距、厚度，扁管寬度等幾何結(jié)構(gòu)參數(shù)，公式復(fù)雜不詳述。作出空氣側(cè)壓降數(shù)值計算與實驗關(guān)聯(lián)式結(jié)果對比折線，如圖2所示。從圖中可以看出，數(shù)值計算結(jié)果略低于實驗擬合式計算值，誤差在10%之內(nèi)，變化規(guī)律基本相同。結(jié)合圖2可得出：隨著入口風(fēng)速的增加，空氣側(cè)壓降與換熱量都是逐漸增加的，但是換熱量增加的趨勢越來越小，而壓降的變化越來越大，可推出一定存在一個最佳的迎面風(fēng)速，使冷凝器換熱效果較好，壓降也保持在可接受的范圍內(nèi)。

5 結(jié)論

本文主要做了迎面風(fēng)速對平行流冷凝器空氣側(cè)百葉窗空氣流動和傳熱效果影響的數(shù)值模擬，得到換熱量和換熱系數(shù)沿翅片呈波浪形變化并逐漸降低;不同風(fēng)速下溫度、壓力流場的對比;不同風(fēng)速下單位面積換熱量與風(fēng)阻的關(guān)系，存在一個最佳的迎面風(fēng)速，使冷凝器換熱效果較好且風(fēng)阻也保持在一個合理的范圍內(nèi);通過空氣側(cè)壓降與實驗關(guān)聯(lián)式對比驗證，得出理論與實驗結(jié)果基本一致，驗證模型具有準(zhǔn)確性。

【參考文獻(xiàn)】

【1】郭暉.汽車空調(diào)系統(tǒng)的應(yīng)用與發(fā)展[J].科技與向?qū)В?012（29）：73-74.

【2】TAYMAZ I.Experimental investigation of heat losses in a ceramic coated diesel engine[J].Surface and Coatings Technology，2003，169-170（3）：168-170.

【3】李夔寧，周偉，郭春雷.汽車散熱器性能試驗與仿真研究[J].機械科學(xué)與技術(shù)，2014，33（7）：1079.

【4】張軼.基于CFD的汽車空調(diào)平行流冷凝器的仿真試驗研究[D].揚州：揚州大學(xué)，2013.

【5】Chang Y J， Wang C C.A generalized heat transfer correlation for louver fin geometry [J].Int J Heat Mass Transfer，1997，40（3）：533-544.