翅片管式油冷器結(jié)構(gòu)優(yōu)化與熱力性能分析

王迎慧,宋春光

(江蘇大學(xué) 能源與動(dòng)力工程學(xué)院，江蘇 鎮(zhèn)江 212013)

翅片管式換熱器作為一種高效的換熱裝置廣泛應(yīng)用于能源動(dòng)力、航空航天、汽車、微電子等各個(gè)領(lǐng)域.一般而言，翅片管結(jié)構(gòu)由圓管和平直翅片組成.隨著強(qiáng)化傳熱技術(shù)的發(fā)展，翅片管結(jié)構(gòu)持續(xù)優(yōu)化，先后發(fā)展出圓管和波紋翅片組合[1-2]、異型管和間斷式翅片組合等組合形式[3-5].近年來(lái)，人們提出復(fù)合翅片管的結(jié)構(gòu)，試圖整合不同強(qiáng)化傳熱方式的優(yōu)點(diǎn)，在異型管的基礎(chǔ)上將簡(jiǎn)單翅片升級(jí)為復(fù)合翅片.其中，一種百葉窗疊加渦流發(fā)生器的復(fù)合翅片逐步引起國(guó)內(nèi)外研究者的關(guān)注[6-8].A.JOARDAR等[6]對(duì)百葉窗翅片管與帶渦流發(fā)生器的復(fù)合翅片管的流動(dòng)傳熱特性開(kāi)展試驗(yàn)對(duì)比研究，結(jié)果表明復(fù)合翅片管的傳熱系數(shù)至少提高了20%，流動(dòng)阻力的增幅則不到6%.此后，D.J.DEZAN等[7]研究百葉窗開(kāi)設(shè)渦流發(fā)生器的復(fù)合翅片管，同樣發(fā)現(xiàn)，管外局部對(duì)流換熱系數(shù)明顯提高，流動(dòng)阻力的增幅較小.閆凱等[8]對(duì)開(kāi)設(shè)不同形狀渦流發(fā)生器的百葉窗翅片管進(jìn)行數(shù)值模擬，結(jié)果表明帶矩形翼、帶三角翼的復(fù)合翅片管的熱力性能均好于百葉窗翅片管，且矩形翼的效果更佳.

文中研究的翅片管式油冷器主要應(yīng)用于車載轉(zhuǎn)向助力系統(tǒng)的液壓油冷卻，由圓管和波紋翅片組合而成(以下簡(jiǎn)稱“原翅片管”).考慮油冷器的緊湊性與換熱的高效性要求，需要結(jié)合油冷器的原有結(jié)構(gòu)與工藝，針對(duì)換熱面結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)其熱力性能的提升.文中從改進(jìn)油冷器換熱單元的結(jié)構(gòu)入手，提出如下設(shè)計(jì)：① 使用橢圓管代替圓管，減少管外流體的流動(dòng)阻力，削弱邊界層分離對(duì)管束換熱的影響；② 在換熱管尾端的百葉窗翅片部分開(kāi)設(shè)矩形小翼渦流發(fā)生器(復(fù)合翅片)，減弱或減小換熱管尾渦區(qū)域的流體弱循環(huán)(流動(dòng)滯留區(qū))，達(dá)到強(qiáng)化傳熱的目的.為驗(yàn)證油冷器熱力性能提升的效果，運(yùn)用數(shù)值模擬方法，比較原翅片管與復(fù)合翅片管管外的溫度、速度、壓力分布等的差異，分析復(fù)合翅片結(jié)構(gòu)對(duì)復(fù)合翅片管熱力性能的具體作用，得出熱力性能較優(yōu)的復(fù)合翅片結(jié)構(gòu)，以滿足實(shí)際工程設(shè)計(jì)之需.

1 物理及數(shù)學(xué)模型

1.1 物理模型

油冷器原有的結(jié)構(gòu)示意圖見(jiàn)圖1.該油冷器的換熱面由圓管和波紋翅片組成，其翅片管單元結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖2.主要尺寸參見(jiàn)表1.

圖1 油冷器示意圖

圖2 油冷器原翅片結(jié)構(gòu)示意圖

表1 原翅片管的尺寸數(shù)據(jù)

基于油冷器的翅片管結(jié)構(gòu)與管外流動(dòng)傳熱的特點(diǎn)，改進(jìn)的復(fù)合翅片管的幾何結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖3.橢圓管當(dāng)量直徑與圓管相同(橢圓管長(zhǎng)半軸a=6 mm，短半軸b=3.8 mm)，原翅片管的波紋翅片結(jié)構(gòu)升級(jí)為百葉窗翅片開(kāi)設(shè)矩形小翼渦流發(fā)生器的復(fù)合翅片，矩形小翼渦流發(fā)生器位于換熱管的尾端.

圖3 復(fù)合翅片管結(jié)構(gòu)示意圖

渦流發(fā)生器的安裝位置、開(kāi)孔方位、高度h、攻角α大小與流動(dòng)阻力、渦流擾動(dòng)密切相關(guān)[9-10].這里取α=30o；h=0.7(Fp-tf)，其中Fp為翅片間距，取值1.8 mm；ΔX=a；ΔZ=0.6b(如圖3所示，ΔX為距離換熱管中心O點(diǎn)的距離；ΔZ為距離換熱管中心軸的距離).復(fù)合翅片管的相關(guān)參數(shù)見(jiàn)表2.

表2 復(fù)合翅片管的尺寸數(shù)據(jù)

1.2 數(shù)學(xué)模型

考慮翅片管的對(duì)稱結(jié)構(gòu)，選取最小重復(fù)單元為數(shù)值模擬的計(jì)算模型.計(jì)算模型、邊界條件的設(shè)定如圖4所示.

圖4 計(jì)算模型和邊界條件

假定空氣為不可壓縮流體，翅片管外為充分發(fā)展的三維流動(dòng)，選擇k-ε湍流模型作為數(shù)值模擬的數(shù)學(xué)模型，其控制方程組如下：

連續(xù)性方程為

(1)

動(dòng)量守恒方程為

(2)

能量守恒方程為

(3)

k方程為

(4)

ε方程為

(5)

式中：ρ為密度，kg·m-3；u為時(shí)均流速，m·s-1；下標(biāo)i，w=1，2，3，分別表示沿X，Y，Z軸的分量；p為時(shí)均壓力，Pa；μ為動(dòng)力黏度，Pa·s；t為時(shí)間，s；λ為空氣導(dǎo)熱系數(shù)，W·m-1·K-1；T為時(shí)均溫度，K；cp為定壓比熱容，J·kg-1·K-1；k為湍動(dòng)能，J；μt為湍流黏性系數(shù)；G為湍動(dòng)產(chǎn)生項(xiàng)；ε為湍動(dòng)耗散率；σk，σε，C1，C2為常數(shù).

不考慮空氣黏性的影響，近壁區(qū)的空氣流速分布符合標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù).數(shù)值計(jì)算時(shí)，速度壓力耦合選擇SIMPLEC算法，離散格式為二階迎風(fēng)格式，設(shè)定迭代收斂殘差為10-6.

1.3 網(wǎng)格處理

計(jì)算模型采用分塊劃分網(wǎng)格的方法，如圖5所示.鑒于翅片管近壁區(qū)與主流區(qū)流動(dòng)傳熱的實(shí)際情況，采用非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格對(duì)翅片管近壁區(qū)進(jìn)行局部加密.流體進(jìn)、出口延長(zhǎng)區(qū)域采用結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格劃分.經(jīng)網(wǎng)格無(wú)關(guān)性檢測(cè)，網(wǎng)格數(shù)量確定為200萬(wàn)個(gè).

圖5 網(wǎng)格劃分示意圖

2 結(jié)果分析

2.1 模擬結(jié)果驗(yàn)證

將文中數(shù)值模擬結(jié)果(原翅片管)與其已有的經(jīng)驗(yàn)關(guān)聯(lián)式計(jì)算結(jié)果比較[11-12]，如圖6所示，圖中j為傳熱因子、f為摩擦因子.

圖6 模擬值與經(jīng)驗(yàn)關(guān)聯(lián)式計(jì)算結(jié)果比較

經(jīng)計(jì)算得出，文中模擬值與經(jīng)驗(yàn)關(guān)聯(lián)式計(jì)算結(jié)果吻合較好.在雷諾數(shù)為550～2 100時(shí)，j和f的模擬值均不超過(guò)經(jīng)驗(yàn)關(guān)聯(lián)式的15%.其誤差可能是由于模型的簡(jiǎn)化以及試驗(yàn)中實(shí)際的空氣流動(dòng)不均勻所導(dǎo)致.

2.2 流動(dòng)傳熱分析

圖7給出了原翅片管、復(fù)合翅片管翅片部分的空氣流動(dòng)軌跡及溫度分布云圖.

由圖7可見(jiàn)，空氣流經(jīng)百葉窗翅片，間斷的百葉窗可以強(qiáng)制流體邊界層的脫離，窗間流動(dòng)的氣流不斷偏轉(zhuǎn)流向，進(jìn)一步增加流體的擾動(dòng)，從而強(qiáng)化流體與翅片之間的對(duì)流換熱.對(duì)比翅片表面溫度與空氣的出口溫度可以發(fā)現(xiàn)，在整個(gè)流動(dòng)過(guò)程中，百葉窗翅片表面溫度低于波紋翅片，且出口空氣溫度高于波紋翅片(對(duì)應(yīng)圖中的溫度色標(biāo)變化不同).這表明，空氣流經(jīng)百葉窗翅片的換熱效果優(yōu)于波紋翅片，即百葉窗翅片的冷卻作用更好.

圖7 兩種翅片管沿X-Y方向?qū)ΨQ面的運(yùn)動(dòng)軌跡及溫度云圖(Re=570)

鑒于翅片管尾渦區(qū)的存在，換熱管前半部分換熱效果優(yōu)于后半部分，因此，需強(qiáng)化換熱管后半部分的傳熱.圖8為原翅片管、復(fù)合翅片管管外的速度分布云圖.

圖8 兩種翅片管沿X-Z方向?qū)ΨQ面的速度分布云圖(Re=570)

由圖8可見(jiàn)，原翅片管的尾渦區(qū)范圍較大，空氣流速較低(圖8a中A區(qū)域).而復(fù)合翅片管的尾渦區(qū)范圍(圖8b中B區(qū)域)則大幅減小，空氣流速也明顯增加(矩形小翼后部區(qū)域除外)，翅片管后半部分的對(duì)流換熱得到明顯改善.分析認(rèn)為，相對(duì)于圓管，橢圓管外流體的邊界層分離點(diǎn)延后，尾渦區(qū)明顯減小.換熱管尾端的矩形小翼迫使氣流改變方向，增加氣流擾動(dòng)，提高尾渦區(qū)氣流的流速，同時(shí)，氣流沖刷矩形小翼，在其下游形成一定強(qiáng)度的縱向渦(如圖9所示)，該渦旋的旋轉(zhuǎn)中心軸水平于氣流流動(dòng)方向，渦旋迫使相鄰翅片通道內(nèi)的上下氣流混合，帶動(dòng)尾渦區(qū)低流速氣流的流動(dòng)，增強(qiáng)氣流與翅片間的傳熱.圖10為原翅片管、復(fù)合翅片管管外的溫度分布云圖.

圖9 在渦流發(fā)生器末端Y-Z方向的縱向渦示意圖(Re=570)

圖10 兩種翅片管沿X-Z方向?qū)ΨQ面的溫度分布云圖(Re=570)

由圖10可見(jiàn)，原翅片管的尾渦區(qū)存在較大的高溫區(qū)域(圖10a中D區(qū)域)，而復(fù)合翅片管的尾渦區(qū)高溫區(qū)域則顯著減小(圖10b中E區(qū)域).結(jié)合圖8的分析可知，原翅片管的尾渦區(qū)域較大，且尾渦區(qū)氣流速度較低，尾渦區(qū)的換熱效果不佳，表現(xiàn)為換熱管尾端的熱量不能及時(shí)轉(zhuǎn)移，局部管壁溫度較高.對(duì)于復(fù)合翅片管，由于換熱管尾渦區(qū)明顯減小，且氣流擾動(dòng)增加，流速較高，換熱管尾端的換熱效果得到改善，復(fù)合翅片管的換熱能力增強(qiáng).

圖11給出了原翅片管、復(fù)合翅片管的壓力分布云圖.

圖11 兩種翅片管的壓力分布云圖(Re=570)

由圖11a可見(jiàn)，沿氣流方向，管外的壓力呈下降趨勢(shì).比較圖中的負(fù)壓區(qū)，復(fù)合翅片管的邊界層分離向后推移(對(duì)應(yīng)圖11a中F點(diǎn)偏移至G點(diǎn)).而在矩形小翼渦流發(fā)生器附近，由于受來(lái)流的沖擊，矩形小翼附近壓力差較大(圖11a中H區(qū)域).在圖11b中，百葉窗結(jié)構(gòu)的進(jìn)、出口壓力差遠(yuǎn)高于原翅片管結(jié)構(gòu)，表明百葉窗結(jié)構(gòu)導(dǎo)致更高的流動(dòng)阻力.

2.3 傳熱因子與摩擦因子比較

為具體衡量原翅片管與復(fù)合翅片管的熱力性能，可以利用傳熱因子j、摩擦因子f分別對(duì)兩種翅片管的換熱特性與流動(dòng)阻力進(jìn)行評(píng)價(jià).圖12為原翅片管、復(fù)合翅片管的j，f隨Re數(shù)變化的關(guān)系曲線.

圖12 兩種翅片管的j，f隨Re數(shù)的變化

由圖12可見(jiàn)，Re=550～2 100時(shí)復(fù)合翅片管的j均高于原翅片管，但f也高于原翅片管.計(jì)算發(fā)現(xiàn)，復(fù)合翅片管較原翅片管的j增幅為1.64～1.79倍，而f的增幅為1.69～1.71倍.

為比較相同泵功下復(fù)合翅片管與原翅片管的熱力性能，采用JF因子綜合評(píng)價(jià)原翅片管、復(fù)合翅片管的熱力性能[13]，表達(dá)式為

(6)

式中：下標(biāo)0表示原翅片管.JF大于1，表明相同泵功下復(fù)合翅片管比原翅片管具有較優(yōu)的熱力性能.圖13為復(fù)合翅片管的JF因子隨Re數(shù)變化的關(guān)系曲線.

圖13 復(fù)合翅片管的JF因子隨Re數(shù)的變化

由圖13可見(jiàn)，Re數(shù)在550～2 100時(shí)，復(fù)合翅片管的JF值隨著Re數(shù)的增大而減小.其原因在于管外氣流處于湍流狀態(tài)，進(jìn)一步提高Re數(shù)，流動(dòng)阻力的增幅遠(yuǎn)高于傳熱能力的提高，致使綜合熱力性能趨于降低.但復(fù)合翅片管的JF值始終大于1.計(jì)算得出，與原翅片管相比，在Re=570時(shí)，復(fù)合翅片管的JF因子較原翅片管結(jié)構(gòu)高出49.6%，而在Re=2 100時(shí)，JF因子提高37.8%.可以得出，改進(jìn)后的復(fù)合翅片管式油冷器的熱力性能有明顯提升.

3 結(jié) 論

1) 與原翅片管相比，復(fù)合翅片能不斷偏轉(zhuǎn)氣流流向，強(qiáng)化氣流與壁面的對(duì)流換熱，翅片表面溫度顯著下降.橢圓管與復(fù)合翅片的組合也大幅減小尾渦區(qū)，改善換熱管尾端的換熱.但復(fù)合翅片管結(jié)構(gòu)也造成流動(dòng)阻力大幅提升.

2) 與原翅片管相比，橢圓管與復(fù)合翅片組合結(jié)構(gòu)熱力性能有較大提升，綜合評(píng)價(jià)因子(JF)的計(jì)算結(jié)果表明，其JF因子較原翅片管結(jié)構(gòu)高出37.8%～49.6%，且隨Re數(shù)的增大，增幅減小.