轉(zhuǎn)向區(qū)數(shù)目和長度對散熱器流動傳熱性能的影響

胡自成， 高緒浩， 范顯旺， 荀貴章， 劉大忠

(1. 江蘇大學 能源與動力工程學院， 江蘇 鎮(zhèn)江 212013； 2. 江蘇維創(chuàng)散熱器制造有限公司， 江蘇 揚州 225261)

管帶式散熱器是發(fā)電機組冷卻系統(tǒng)的核心部件，由芯體、水室、主片、側(cè)板及安裝支架等通過釬焊工藝焊接而成.芯體是核心部分，由扁管、百葉窗翅片式散熱帶及上下主片組成[1].管帶式散熱器傳熱熱阻80%來源于空氣側(cè)[2]，眾多學者研究了百葉窗翅片結(jié)構(gòu)對散熱器空氣側(cè)流動傳熱性能的影響.DONG J. Q.等[3]對20種不同結(jié)構(gòu)參數(shù)的百葉窗翅片采集了336個試驗數(shù)據(jù)，進行多元回歸和顯著性檢驗，結(jié)果表明：翅片間距增大，傳熱因子和摩擦因子降低；翅片高度增大，傳熱因子和摩擦因子增大；開窗角度和翅片長度增加，傳熱因子增加；開窗角度增大，摩擦因子增大；百葉窗間距增大，摩擦因子減小.漆波[4]通過數(shù)值模擬獲得的最佳結(jié)構(gòu)參數(shù)如下：百葉窗開窗角度為27°，翅片厚度為0.1 mm，此時，散熱器具有較好的綜合性能.王迎慧等[5]對不同翅窗間距比的百葉窗翅片流動傳熱進行了數(shù)值模擬，發(fā)現(xiàn)最佳窗翅間距比為1.2.JANG J. Y.等[6]對雷諾數(shù)為100～1 000的不同百葉窗結(jié)構(gòu)參數(shù)進行了研究，結(jié)果表明：百葉窗間距相同時，摩擦因子隨百葉窗角度的增大而增大；相同百葉窗角度下，摩擦因子隨百葉窗間距的增大而減小.A. VAISI等[7]對管帶式散熱器進行了性能測試，結(jié)果表明：百葉窗對稱布置時，散熱器傳熱性能較百葉窗非對稱布置時提高9.3%，而對稱布置時的壓降較非對稱布置時低18.2%.JANG J. Y.等[8]、吳學紅等[9]通過Fluent對定角度翅片與變角度翅片進行了研究，結(jié)果表明：采用變角度百葉窗翅片結(jié)構(gòu)可有效提高散熱器綜合性能.

由上可見，散熱器百葉窗翅片的百葉窗角度、間距、高度和翅片間距、高度、厚度等結(jié)構(gòu)參數(shù)都對散熱器流動與傳熱性能有重要影響.轉(zhuǎn)向區(qū)長度和數(shù)目也是百葉窗翅片散熱器重要的結(jié)構(gòu)參數(shù).目前，相關(guān)參數(shù)對百葉窗翅片散熱器流動傳熱性能影響的研究還很少.楊潤澤等[10]建立8種結(jié)構(gòu)形式的百葉窗翅片模型，研究表明增加百葉窗翅片轉(zhuǎn)向區(qū)數(shù)目可以有效降低進出口壓降，但其針對的是汽車空調(diào)平行流冷凝器.

筆者針對管帶式散熱器的傳熱與流阻特性，建立管帶式散熱器百葉窗翅片的三維流動和換熱模型，計算分析轉(zhuǎn)向區(qū)長度和轉(zhuǎn)向區(qū)數(shù)目對百葉窗翅片換熱器的傳熱和流動特性的影響.

1 計算模型及數(shù)據(jù)處理

1.1 物理模型及邊界條件

散熱器扁管單排布置時，扁管和百葉窗翅片結(jié)構(gòu)如圖1所示，扁管寬度Dm為2.0 mm，長度Lm為26.0 mm；百葉窗間距Lp為1.5 mm，高度Hp為6.4 mm，角度θ為27°；翅片高度Hd為8.0 mm，長度Ld為26.0 mm，間距Lf為1.6 mm，厚度δ為0.1 mm，進出口長度S2為1.75 mm；扁管和翅片材質(zhì)均為鋁合金3003.主要研究轉(zhuǎn)向區(qū)長度和數(shù)目對散熱器流動換熱性能的影響，轉(zhuǎn)向區(qū)長度S1分別取1.5、3.0、4.5 mm，轉(zhuǎn)向區(qū)數(shù)目n分別取1～3個(單排管時)和1～6個(3排管時).

單排管的計算區(qū)域和邊界條件如圖2所示.考慮到散熱器結(jié)構(gòu)的對稱性與周期性，選擇1/2的翅片作為計算區(qū)域，包括空氣側(cè)流體域和翅片及扁管側(cè)固體域.流道進口采用速度入口，空氣迎面風速uin取4～12 m·s-1，進口溫度Tin取308 K，出口為壓力出口.流體域空氣物性參數(shù)根據(jù)空氣進出口平均溫度確定，固體域材料參數(shù)的材質(zhì)設(shè)定為鋁合金3003，其導熱系數(shù)為160 W·(m·K)-1.百葉窗翅片和流體區(qū)域交界面為耦合傳熱面，假定扁管壁溫Tw為恒壁溫，Tw=358 K，上下表面為周期性邊界條件，表面溫度、速度與壓力相同.為避免出口回流影響，實際計算區(qū)域前后延伸5.0 mm.

1.2 數(shù)學模型及網(wǎng)格劃分

T. PERROTIN等[11]指出： 以百葉窗間距為特征尺寸，雷諾數(shù)為40～1 200時，翅片內(nèi)空氣流動為層流；uin為4～12 m·s-1工況下，雷諾數(shù)為376～1 129.模擬采用三維常物性、不可壓、層流和穩(wěn)態(tài)模型.連續(xù)性方程、動量方程和能量方程分別為

(1)

(2)

(3)

式中：ρ為流體密度；ui、uj、uk為流體沿x、y、z方向的流速分量；cp為比定壓熱容；T為溫度；p為壓強；λ為導熱系數(shù)；μ為動力黏度.

計算單元網(wǎng)格通過ICEM軟件進行劃分，采用結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格和非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格相結(jié)合的方法，對扁管、翅片表面的附近區(qū)域進行網(wǎng)格加密處理.控制整個計算區(qū)域的網(wǎng)格質(zhì)量不低于0.4，經(jīng)網(wǎng)格無關(guān)性檢驗，確定計算網(wǎng)格數(shù)為70～80萬個.

為保證計算精度和收斂穩(wěn)定性，F(xiàn)luent采用Laminar模型求解，其中采用SIMPLEC算法對壓力和速度進行耦合求解，使用二階迎風格式進行離散.

1.3 數(shù)據(jù)處理

在uin為4～12 m·s-1工況下，計算空氣側(cè)傳熱因子j，即

(4)

(5)

(6)

(7)

式中：ReLp為以百葉窗間距為特征長度下的雷諾數(shù)；ρa為空氣密度；uc為最窄截面處風速；μa為空氣動力黏度；ΔTm為對數(shù)平均溫差；Tw為壁面溫度；Ti、To分別為空氣的進、出口溫度；ha為空氣側(cè)換熱系數(shù)；qm為空氣質(zhì)量流量；A0為空氣側(cè)換熱面積；Pr為普朗特數(shù).

空氣視為不可壓縮流體，在uin為4～12 m·s-1工況下，計算摩擦因子f，即

Δp=pin-pout,

(8)

(9)

式中：Δp為進、出口壓力差；pin、pout分別為進、出口壓力；Ac為最窄截面處空氣流通面積；kc、ke分別為空氣進、出百葉窗翅片由于面積突縮和突擴而產(chǎn)生的壓力損失系數(shù)，根據(jù)模型尺寸選擇kc和ke均為0.

2 結(jié)果分析與討論

2.1 模擬結(jié)果驗證

為驗證模擬結(jié)果的可靠性和精確性，將模擬結(jié)果與文獻[5]通用性及精準性較好的關(guān)聯(lián)式計算結(jié)果比較，如圖3所示，模擬結(jié)果與關(guān)聯(lián)式吻合較好，傳熱因子和摩擦因子誤差分別為7.5%～11.2%和9.3%～14.5%.究其原因，模型簡化、空氣流動不均勻性和常物性假設(shè)導致了誤差.

圖3 模擬結(jié)果與關(guān)聯(lián)式計算結(jié)果對比

2.2 轉(zhuǎn)向區(qū)數(shù)目和長度對j和f的影響

在轉(zhuǎn)向區(qū)數(shù)目n分別為1～3 個(單排管時)和1～6 個(3排管時)，轉(zhuǎn)向區(qū)長度S1分別為1.5、3.0和4.5 mm，uin為4～12 m·s-1工況下的傳熱因子j和摩擦因子f的變化分別如圖4、5所示.

從圖4可以看出：轉(zhuǎn)向區(qū)數(shù)目和長度一定時，單排管和3排管的傳熱因子都隨迎面風速的增加而減小；相同迎面風速下，傳熱因子隨轉(zhuǎn)向區(qū)數(shù)目和長度的乘積的升高而降低；轉(zhuǎn)向區(qū)數(shù)目和長度的乘積相同時，傳熱因子隨轉(zhuǎn)向區(qū)數(shù)目的增加而增加.究其原因：空氣側(cè)對流換熱系數(shù)一般與迎面風速成指數(shù)關(guān)系(指數(shù)小于1.0)，由式(7)可知，轉(zhuǎn)向區(qū)一定時傳熱因子與迎面風速成反比關(guān)系；相同迎面風速下，轉(zhuǎn)向區(qū)長度與數(shù)目乘積增加，意味著翅片中百葉窗占比減少，流經(jīng)百葉窗的空氣份額減少，減弱了對流傳熱效果；當百葉窗占比相同時，轉(zhuǎn)向區(qū)數(shù)目增加，使氣流多次轉(zhuǎn)向而擾動強化，增加轉(zhuǎn)向區(qū)數(shù)目，流場經(jīng)過多次轉(zhuǎn)向，使得流場在翅片表面分布更為均勻.更為均勻的流場增加了破壞翅片表面邊界層的能力，從而達到強化傳熱目的，換熱得以強化.

圖4 轉(zhuǎn)向區(qū)數(shù)目和轉(zhuǎn)向區(qū)長度對j的影響

從圖5可以看出：摩擦因子f與轉(zhuǎn)向區(qū)數(shù)目、轉(zhuǎn)向區(qū)長度和迎面風速的變化規(guī)律與圖4類似，但當轉(zhuǎn)向區(qū)數(shù)目和長度的乘積較高時，摩擦因子降低更為明顯.究其原因：空氣側(cè)為層流，轉(zhuǎn)向區(qū)一定時，摩擦因子與迎面風速成反比關(guān)系；相同迎面風速下，隨著轉(zhuǎn)向區(qū)長度與數(shù)目乘積增加，翅片中百葉窗占比減少，窗間流份額持續(xù)減少，通道內(nèi)空氣流動阻力持續(xù)降低.以S1=1.5 mm為例，相同工況下，2個轉(zhuǎn)向區(qū)摩擦因子比1個轉(zhuǎn)向區(qū)降低4.1%～8.3%.

圖5 轉(zhuǎn)向區(qū)數(shù)目和轉(zhuǎn)向區(qū)長度對f的影響

2.3 轉(zhuǎn)向區(qū)數(shù)目和長度對綜合性能的影響

從相同輸送功率下傳遞熱量來考慮，引入的綜合性能系數(shù)[12]為

(10)

式中：j0和f0分別為基準傳熱因子和基準摩擦因子.

根據(jù)工程實際，以1個轉(zhuǎn)向區(qū)(單排管時)、3個轉(zhuǎn)向區(qū)(3排管時)和轉(zhuǎn)向區(qū)長度為1.5 mm作為基準傳熱因子j0和基準摩擦因子f0的計算條件.轉(zhuǎn)向區(qū)數(shù)目n、轉(zhuǎn)向區(qū)長度、迎面風速uin對綜合性能系數(shù)JF的影響如圖6所示.

圖6 轉(zhuǎn)向區(qū)數(shù)目和轉(zhuǎn)向區(qū)長度對JF的影響

從圖6可以看出：相對于JF=1.0的工程實際，通過優(yōu)化轉(zhuǎn)向區(qū)長度和數(shù)目，JF存在優(yōu)化空間；單排管時，轉(zhuǎn)向區(qū)數(shù)目和長度組合為3個和1.5 mm、1個和4.5 mm、1個和3.0 mm、2個和1.5 mm時，綜合性能較好，其中以轉(zhuǎn)向區(qū)數(shù)目為3個、長度為1.5 mm時，綜合性能最好；3排管時，轉(zhuǎn)向區(qū)數(shù)目和長度組合為3 個和3.0 mm、2個和3.0 mm、4個和3.0 mm、2個和4.5 mm時，綜合性能較好，其中，以轉(zhuǎn)向區(qū)數(shù)目為3 個、長度為3.0 mm時綜合性能最好.由上可知，和傳熱因子和摩擦因子不同，綜合性能系數(shù)與轉(zhuǎn)向區(qū)數(shù)目和長度的乘積沒有必然聯(lián)系，因此，散熱器需要獲得較好綜合性能，需合理匹配轉(zhuǎn)向區(qū)長度和數(shù)目.實際應用中，迎面風速和扁管參數(shù)一定時，扁管3排布置和單排布置相比，傳熱和流動性能通常會變差.通過轉(zhuǎn)向區(qū)長度和數(shù)目的優(yōu)化匹配，可提升多排布置時的綜合性能，從而縮小其與單排布置的差距.

圖7 基準翅片與優(yōu)化后翅片相對值比較

從圖7可以看出：轉(zhuǎn)向區(qū)長度和數(shù)目在常規(guī)匹配、不同迎面風速下，3排管和單排管的傳熱因子、摩擦因子和綜合性能系數(shù)相對值分別為0.805～0.820、0.870～0.940和1.000，而優(yōu)化匹配下，相對值分別為0.800～0.810、1.000～1.040和0.970～1.060.轉(zhuǎn)向區(qū)長度和數(shù)目匹配下，由式(6)-(9)可以看出：和常規(guī)匹配相比，優(yōu)化匹配后3排管的換熱系數(shù)增加3%，壓降減少5%，綜合性能得以提升6%，縮小了其與單排管布置時的差距.由此可見，在多排管布置時，應該在單排基礎(chǔ)上，同時改變和優(yōu)化轉(zhuǎn)向區(qū)數(shù)目和長度，在分析或擬合散熱器流動傳熱性能關(guān)聯(lián)式時，應該考慮轉(zhuǎn)向區(qū)長度與數(shù)目及其匹配的影響，而這方面還需深入研究.

3 結(jié) 論

1) 轉(zhuǎn)向區(qū)長度和數(shù)目的乘積是影響傳熱因子和摩擦因子的綜合因素，一定迎面風速下，傳熱因子和摩擦因子隨轉(zhuǎn)向區(qū)長度和數(shù)目的乘積增加而降低，當轉(zhuǎn)向區(qū)長度和數(shù)目乘積相等時，傳熱因子與摩擦因子隨轉(zhuǎn)向區(qū)數(shù)目增加而增加.

2) 給定的結(jié)構(gòu)參數(shù)下，單排管布置時，轉(zhuǎn)向區(qū)長度為1.5 mm和轉(zhuǎn)向區(qū)數(shù)目為3 個時，散熱器綜合性能最好；3排管布置時，轉(zhuǎn)向區(qū)長度為3.0 mm和轉(zhuǎn)向區(qū)數(shù)目為3 個時，散熱器綜合性能最好.

3) 多排管布置時，轉(zhuǎn)向區(qū)長度和數(shù)目的優(yōu)化匹配，可有效縮小多排管布置與相應單排管布置時的流動換熱綜合性能差距.