波紋翅片傳熱與流動特性數(shù)值仿真分析*

王 碩，閻 凱，任智達，劉俊杰，孔麗君，胡雪婷

（1.中車大連機車研究所有限公司，遼寧大連 116021；2.中車大連機車車輛有限公司，遼寧大連 116021）

0 引言

板翅式換熱器廣泛應用于能源動力工程、石油化工工程、冶金材料工程、軌道交通等領域的熱管理系統(tǒng)中。目前板翅式散熱器的設計原理及方法非常成熟，針對機車及動車組用散熱器已經(jīng)形成了相應的行業(yè)標準[1]，規(guī)范了產(chǎn)品的技術要求、試驗方法、表面狀態(tài)要求以及檢驗規(guī)則。由于波紋式翅片易于加工，同時易清洗耐污臟，改善換熱效果顯著等特性在機車及高速動車組得到廣泛應用。本文采用數(shù)值仿真方法對波紋式翅片的傳熱及流動特性進行研究，利用仿真數(shù)據(jù)制作波紋翅片性能評價圖。

國內(nèi)外的工程師及科技工作者主要集中精力優(yōu)化散熱翅片及改進，在熱交換器的研究設計工作中，工程師大部分的時間和精力用于傳熱表面的設計及選用[2]。Kays和London[3]針對大量不同的板翅式換熱器傳熱表面結構，開展了系統(tǒng)的實驗研究，總結出40多種翅片結構的傳熱及阻力關聯(lián)式，為傳熱表面的設計提供了基礎參照。Kays和London簡單地將傳熱翅片分為平直型翅片、波紋翅片、三角翅片等連續(xù)翅片；鋸齒翅片、百葉窗翅片等間斷型翅片。即使有多種傳熱表面可供選擇，卻不存在一種任何條件下都是性能最佳的表面。強化傳熱的主要方式就是通過各種手段減薄和破壞邊界層，同時會引起流通阻力的增大，增加了輔助功耗[4]。數(shù)值仿真方法[5]在開發(fā)新翅片、新結構，在特定要求下尋找最優(yōu)方案過程中發(fā)揮了重大作用。許偉等[6]利用CFD分析工具，進行了多種不同類型翅片的數(shù)值試驗，探索翅片的傳熱特性。唐愛坤等[7]利用數(shù)值仿真工具探索最佳的散熱器設計方案，包括翅片的類型選擇、結構尺寸的規(guī)劃等。Kim，G.W等[8]利用數(shù)值仿真進行了汊流式用波紋翅片的散熱器分析計算優(yōu)化。所有研究人員的首要研究目標是可以以較小的輔助功耗增加得到較高的換熱性能的提升，研究方法目前主要是在已有的試驗基礎上進行大量的數(shù)值仿真研究。本文旨在一定范圍內(nèi)為機車及動車組板翅式換熱器空氣翅片選型提供參考，合理平衡不同曲率半徑下的波紋翅片換熱性能及輔助功率消耗。

1 數(shù)學模型及計算方法

傳熱和流動問題為穩(wěn)態(tài)的，其變量不隨時間變化，則假設：（1）流體的流動是三維、穩(wěn)態(tài)、不可壓縮、定物性的流動；（2）流體通道壁面溫度保持不變；（3）流體在流動區(qū)域內(nèi)是充分發(fā)展的；（4） 忽略輻射傳熱、黏性能量擴散、體力等的影響。基于上述的假設，波紋翅片的計算域內(nèi)連續(xù)性方程、動量方程和能量方程的控制方程可參考文獻[9]。

如圖1所示的計算區(qū)域中，其邊界條件為：熱邊界條件為常壁溫65℃，給定入口空氣溫度40℃，出口設置常壓為大氣壓，進口空氣流量作為變量。采用低雷諾數(shù)流動黏性的RNG k-ε模型進行計算。

圖1 翅片邊界條件

采用二階迎風格式對動量、能量方程及湍流動能方程進行求解，對流項采用了二階迎風格式，擴散項采用中心差分格式。在方程的循環(huán)迭代求解過程中，對每個需求解的參數(shù)變量設定松弛因子，其中壓力的迭代因子為0.3，動量的迭代因子為0.7，湍流動能的迭代因子為0.8，湍流擴散率的迭代因子為0.8，能量的松弛迭代因子設定為0.8。采用各個變量的殘差作為計算收斂的判斷依據(jù)，其中對連續(xù)性各方向的速度、湍流動能和湍流擴散的殘差控制為小于10-6，能量的殘差控制為小于10-8。

2 仿真計算結果

圖2所示為波紋翅片上、下表面換熱系數(shù)沿著空氣流動方向的變化。從圖中可以看出，沿著波紋管道長度方向，換熱系數(shù)按照正弦形式波動，振蕩幅值逐漸減小。

圖2 波紋翅片上下表面換熱系數(shù)沿翅片長度方向的變化

本文評估了波紋翅片的無量綱曲率半徑對波紋管道的換熱特性、能量消耗等影響。換熱系數(shù)和努塞爾數(shù)代表波紋翅片傳熱能力。圖3所示為在不同雷諾數(shù)條件下，無量綱曲率半徑對波紋翅片換熱性能的影響。從圖中可以看到，隨著無量綱曲率半徑的增大，波紋翅片表面換熱系數(shù)和努塞爾數(shù)減小；在高雷諾數(shù)條件下，換熱系數(shù)和努塞爾數(shù)的減小趨勢更加明顯。

空氣壓降和摩擦因數(shù)反應了換熱器消耗能量的情況。如圖4所示，顯示了在不同雷諾數(shù)條件下，無量綱曲率半徑對波紋翅片能量消耗的影響。從圖中可以看到，隨著無量綱曲率半徑的增大，波紋翅片內(nèi)空氣流動壓降及摩擦因數(shù)減?。辉诟呃字Z數(shù)條件下，壓降和摩擦因數(shù)減小的趨勢更加明顯。計算結果表明在其他條件不變的條件下，波紋翅片曲率半徑減小會消耗更多的能量克服流動阻力。

圖3 無量綱曲率半徑對波紋管道換熱性能的影響

圖4 無量綱曲率半徑對波紋翅片流動阻力特性的影響

空氣從波紋翅片中流過，從壁面吸收熱量。圖5所示為在不同雷諾數(shù)條件下，無量綱曲率半徑對波紋翅片進出口截面處空氣溫度差的影響。從圖中可以看出，隨著無量綱曲率半徑的增大，波紋翅片進出口空氣溫度差減小；這種減小趨勢在高雷諾數(shù)條件下更加明顯。進出口空氣溫差越大，表明空氣吸收的熱量越多，波紋翅片換熱能力越強。計算結果表明較小的無量綱曲率半徑更有利于波紋管道換熱器進行換熱；與圖3中的計算結論一致。

圖5 無量綱曲率半徑對波紋管道進出口溫差的影響

圖6 波紋翅片性能評價圖

性能評價圖用于翅片換熱能力與能量消耗特性進行綜合評價[10]。圖6所示為在不同雷諾數(shù)條件下，波紋翅片性能評價圖。圖中顯示，隨著f/f0的增大，Nu/Nu0逐漸增大，增大趨勢在高雷諾數(shù)時顯著；圖中曲線的斜率始終小于1，表明波紋翅片與平直翅片相比，傳能力增強速率低于輔助功耗增長速率。

3 結束語

本文對波紋翅片的換熱及流動阻力特性進行了數(shù)值仿真，研究了無量綱曲率半徑對波紋翅片傳熱及能量消耗特性的影響，結論如下：（1）波紋翅片無量綱曲率半徑的減小可提升波紋翅片傳熱能；（2）波紋翅片曲率半徑的減小導致波紋翅片消耗更多的輔助功耗；（3）與傳統(tǒng)平直翅片相比，波紋翅片的傳熱能力增強速率低于輔助功耗增長速率。