冷側(cè)進(jìn)氣方向及速度對(duì)空冷中冷器性能影響研究

李 勝，張靖龍，黃德惠，陳存福，費(fèi)洪慶，豐 偉，胡興軍

(1.一汽解放青島汽車(chē)有限公司, 山東 青島 266043; 2.吉林大學(xué) 汽車(chē)仿真與控制國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 長(zhǎng)春 130032)

緊湊式熱交換器因其高緊湊性及傳熱效率，被廣泛應(yīng)用于航空航天、汽車(chē)、化工和制冷等行業(yè)。擴(kuò)展表面是緊湊式熱交換器的重要組成部分，其可以有效提升熱交換器的面積-體積比，在當(dāng)前眾多擴(kuò)展表面類型中，百葉窗翅片因便于規(guī)模制造、成本低，被廣泛應(yīng)用于汽車(chē)工業(yè)中。

Kays等[1]通過(guò)實(shí)驗(yàn)方法全面研究了不同結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)百葉窗翅片的熱工水力性能的影響。Chang等[2-3]在總結(jié)文獻(xiàn)[4-7]中大量數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，提出了當(dāng)前仍被廣泛使用的百葉窗翅片通用傳熱和摩擦因子關(guān)聯(lián)式，為消除原摩擦因子關(guān)聯(lián)式的不連續(xù)性， 隨后進(jìn)一步對(duì)該關(guān)聯(lián)式進(jìn)行了修正[8]。Lee等[9]使用Kriging方法和基因算法對(duì)百葉窗翅片的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化，使其綜合性能提升了14%～32%。Kim等[10]分析了百葉窗翅片在低流速區(qū)域時(shí)的熱工水力性能，并提出適用于低Re的流動(dòng)和傳熱關(guān)聯(lián)式。Bhaiyat等[11]通過(guò)實(shí)驗(yàn)研究了汽車(chē)氣候控制系統(tǒng)中百葉窗翅片-管加熱器，指出其芯部的流動(dòng)特征對(duì)其性能有重要影響。Wan等[12]在實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)上采用數(shù)值模擬方法研究了百葉窗翅片-管式熱交換器在低壓條件下的熱工水力性能，并提出了相應(yīng)的流動(dòng)和傳熱關(guān)聯(lián)式。Ali等[13]使用數(shù)值模擬方法研究了對(duì)百葉窗翅片結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)其熱工水力性能的影響，并提出了相應(yīng)的流動(dòng)和傳熱關(guān)聯(lián)式。

上述實(shí)驗(yàn)及仿真研究均建立在緊湊式熱交換器的芯部與來(lái)流方向完全垂直的假設(shè)之上，但在實(shí)際使用過(guò)程中，考慮到安裝、檢修及節(jié)省空間等問(wèn)題，熱交換器芯部并非與來(lái)流方向完全垂直，此時(shí)熱交換器的熱工水力性能也將發(fā)生改變。Zhang等[14]采用數(shù)值方法分析了不同來(lái)流方向和波距-翅長(zhǎng)比對(duì)鋸齒式翅片熱工水力性能的影響，并指出不同來(lái)流方向和波距-翅長(zhǎng)比可改善鋸齒式翅片的性能。Wang等[15]通過(guò)實(shí)驗(yàn)方法研究了橢圓管-翅片式熱交換器的熱工水力性能受來(lái)流方向的影響，結(jié)果表明隨傾角的減小，傳熱系數(shù)不斷減小而阻力不斷增加。Guo等[16]研究了鋼質(zhì)鋸齒式翅片在不同來(lái)流方向時(shí)的熱工水力性能，并提出來(lái)流方向?yàn)?5°時(shí)鋸齒式翅片的熱工水力性能最佳。

然而對(duì)于不同的冷側(cè)進(jìn)氣方向和速度對(duì)百葉窗翅片-管式熱交換器熱工水力性能影響的研究卻不多。針對(duì)這一問(wèn)題，本文在實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)上研究了冷側(cè)進(jìn)氣速度v分別為4.5、5、6、7、7.5 m/s以及相對(duì)應(yīng)的方向β分別為15°、30°、45°、60°、75°、90°時(shí)，百葉窗翅片-管式熱交換器的熱工水力性能。

1 研究對(duì)象及實(shí)驗(yàn)設(shè)備

1.1 研究對(duì)象

本文的研究對(duì)象為一鋁質(zhì)翅片-扁管式空冷中冷器，其由進(jìn)氣室、排氣室、管柵、冷卻管、百葉窗翅片及鋸齒式翅片等部件組成，在經(jīng)高質(zhì)量釬焊后最終形成圖1(a)所示的總體結(jié)構(gòu)。為達(dá)到強(qiáng)化傳熱的目的，在熱側(cè)冷卻管內(nèi)部焊有鋸齒式翅片，而如圖1(b)所示冷側(cè)相鄰冷卻管間焊有圖1(c)所示的百葉窗式翅片，最終形成732 mm×590 mm的冷側(cè)芯部。本文所涉及的冷卻管和百葉窗翅片的具體結(jié)構(gòu)參數(shù)如表1所示。當(dāng)此中冷器處于工作狀態(tài)時(shí)，增壓空氣先由熱側(cè)入口流入，在經(jīng)進(jìn)氣室分流后流向不同冷卻管，并最終在排氣室的匯集后流出，而冷側(cè)空氣則由冷側(cè)入口流入流經(jīng)百葉窗翅片之后由冷側(cè)出口流出。

圖1 空冷中冷器

表1 冷卻管結(jié)構(gòu)參數(shù)

1.2 實(shí)驗(yàn)設(shè)備

文中所涉及的實(shí)驗(yàn)均在圖2所示抽吸式風(fēng)洞中進(jìn)行，其由流體循環(huán)系統(tǒng)、控制及數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)等構(gòu)成。熱交換器冷側(cè)空氣入口條件通過(guò)風(fēng)室溫度和濕度控制，同時(shí)在熱交換器冷側(cè)后方安裝混流器以實(shí)現(xiàn)冷側(cè)出口空氣的混合，熱側(cè)空氣入口條件則通過(guò)調(diào)節(jié)置于風(fēng)室之外的加熱器及流量裝置進(jìn)行控制。冷熱側(cè)空氣溫度均由預(yù)先校準(zhǔn)的精度為 ±0.1 ℃熱電阻(Pt-100 Ω)獲取，冷側(cè)空氣流速由風(fēng)洞中的噴嘴控制，熱側(cè)空氣質(zhì)量流量由誤差為 ±0.1%的氣體質(zhì)量流量計(jì)測(cè)量，通過(guò)熱交換器的冷熱測(cè)空氣壓降均由精度為 ±1 Pa的差壓變送器測(cè)得。

圖2 實(shí)驗(yàn)設(shè)備

2 數(shù)值仿真

2.1 計(jì)算域

空冷中冷器結(jié)構(gòu)復(fù)雜，若對(duì)其直接進(jìn)行仿真，將消耗大量的時(shí)間及計(jì)算資源，鑒于其冷側(cè)芯部具有結(jié)構(gòu)上的周期性，參照文獻(xiàn)[12-14],當(dāng)前僅對(duì)其中一個(gè)周期進(jìn)行相應(yīng)的熱工水力研究，所形成的計(jì)算域如圖3所示，其入口為速度入口，出口為壓力出口，為使來(lái)流充分發(fā)展及避免回流出現(xiàn)，對(duì)入口段做5Dh延伸，出口段做20Dh延伸，并將計(jì)算域上下、左右側(cè)均設(shè)為周期性邊界，百葉窗翅片及冷卻管表面則均為無(wú)滑移壁面。

圖3 計(jì)算域

文中冷側(cè)進(jìn)氣方向β是指速度v與Y軸正方向的夾角，其值分別取為15°、30°、45°、60°、75°、90°，并認(rèn)為β取15～30°時(shí)的角度為小傾角，30～60°時(shí)為中等傾角，60～90°時(shí)為大傾角，而v的大小分別取值為4.5、5、6、7、7.5 m/s。其中當(dāng)β為90°時(shí)，進(jìn)氣與計(jì)算域入口垂直，認(rèn)為此時(shí)仿真同實(shí)驗(yàn)的冷側(cè)空氣流動(dòng)方向一致，可用于后續(xù)同實(shí)驗(yàn)的驗(yàn)證。

2.2 控制方程

在控制方程求解過(guò)程中，做如下假設(shè)：

1) 工質(zhì)是三維定常不可壓的空氣且流動(dòng)處于穩(wěn)定狀態(tài)；

2) 重力、自然對(duì)流和輻射可以忽略；

3) 百葉窗翅片模型開(kāi)窗良好，切口處不存在毛邊、撕裂等缺陷，焊縫絕對(duì)光滑。

計(jì)算域中的流動(dòng)和傳熱由下面所示通用控制方程表達(dá)[17]：

(1)

經(jīng)前期計(jì)算發(fā)現(xiàn)，當(dāng)β=90°、冷側(cè)風(fēng)速為4.5 m/s時(shí)，以Lp為特征長(zhǎng)度求得的雷諾數(shù)值為 1 452，可認(rèn)為此時(shí)的流動(dòng)已處于湍流狀態(tài)，在權(quán)衡求解精度和難度之后，文中使用標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型描述湍流運(yùn)動(dòng)，其控制方程如下[18]：

(2)

(3)

(4)

式中：Cμ=0.09；σk=1.00；σε=1.30；C1ε=1.44；C2ε=1.92。

在仿真過(guò)程中，使用有限體積法將控制方程轉(zhuǎn)化為代數(shù)方程，壓力速度耦合方式為SIMPLEC，動(dòng)量、湍動(dòng)能、湍流耗散率及能量采用二階迎風(fēng)格式進(jìn)行空間離散以獲取更高計(jì)算精度；質(zhì)量、動(dòng)量和湍流方程收斂殘差閾值為10-3，能量方程則為10-7；在網(wǎng)格獨(dú)立性驗(yàn)證中發(fā)現(xiàn)，不同工況下，網(wǎng)格數(shù)量保持在1 690萬(wàn)左右時(shí)，各指標(biāo)參數(shù)的變化已不再明顯；環(huán)境壓力98 330 Pa，冷側(cè)進(jìn)氣為空氣，其溫度為25 ℃，ρ=1.149 kg/m3，Cp=1 006.5 J/(kg·K)，μ=1.848 95×10-5kg/(m·s)，λ=0.025 9 W/(m·s)，并且流動(dòng)處于穩(wěn)定狀態(tài)，冷卻管和百葉窗翅片材料分別為ZL104和3003-H16，冷卻管壁面溫度Tw為160.5 ℃，冷側(cè)空氣、冷卻管和百葉窗翅片之間進(jìn)行共軛傳熱。

2.3 數(shù)據(jù)簡(jiǎn)化

總傳熱量Q為：

(5)

計(jì)算過(guò)程中，溫差采用對(duì)數(shù)平均溫度[19]：

ΔT=(To-Ti)/ln((Tw-Ti)/(Tw-To))

(6)

總傳熱系數(shù)為：

h=Q/(ΔT·As)

(7)

計(jì)算域水力直徑Dh為：

(8)

式中：Amin為計(jì)算域最小自由流面積，As為總傳熱面積。

雷諾數(shù)ReLp為：

(9)

(10)

式中：Af和G分別表示計(jì)算域投影面積及冷側(cè)進(jìn)氣質(zhì)量流量。

努賽爾數(shù)Nu為，其表征工質(zhì)對(duì)流傳熱和純熱傳導(dǎo)之比：

Nu=h·Dh/λ

(11)

Fanning摩擦因子f，其表征工質(zhì)流動(dòng)過(guò)程中的無(wú)量綱壓降：

(12)

式中：ΔP為靜壓降。

為綜合評(píng)價(jià)中冷器冷側(cè)熱工水力性能，引入性能評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)PEC[20]：

(13)

式中：以來(lái)流方向?yàn)?0°、速度為4.5 m/s時(shí)的努賽爾數(shù)Nu90和摩擦因子f90為參考值，而Nun及fn則分別表示其余各速度下來(lái)流方向?yàn)?5°、30°、45°、60°、75°、90°時(shí)的努賽爾數(shù)和摩擦因子。

2.4 實(shí)驗(yàn)與仿真驗(yàn)證

圖4為β=90°，冷側(cè)進(jìn)氣速度分別為4.5、5、6、7和7.5 m/s時(shí)基準(zhǔn)中冷器冷側(cè)靜壓降及傳熱系數(shù)試驗(yàn)值和仿真值的驗(yàn)證。對(duì)于靜壓降，受實(shí)驗(yàn)設(shè)備及百葉窗翅片、冷卻管自身及其與冷卻管等形成的焊縫并不完全光滑的影響，造成試驗(yàn)值與仿真值的差異，但二者絕對(duì)誤差不超過(guò)7%[21]。

圖4 實(shí)驗(yàn)與仿真靜壓降比對(duì)

3 結(jié)果分析

3.1 冷側(cè)進(jìn)氣方向及風(fēng)速對(duì)摩擦因子f的影響

圖5為冷側(cè)進(jìn)氣方向β及風(fēng)速v同摩擦因子f的關(guān)系曲線，由圖可知：在同一進(jìn)氣方向β時(shí)，速度v在X軸上的分量隨v的增加而增加，從而出現(xiàn)摩擦因子f隨v增加而減小的情況，其中相較于各進(jìn)氣方向β下冷側(cè)風(fēng)速為4.5 m/s時(shí)的摩擦因子f，當(dāng)冷側(cè)風(fēng)速為7.5 m/s時(shí)分別降低13.84%、9.02%、12.67%、12.71%、14.38%、14.64%，其中原因可以從圖6所示進(jìn)氣方向?yàn)?0°時(shí)不同速度下XY中間面上的湍流強(qiáng)度云圖看出，在冷側(cè)風(fēng)速增加的過(guò)程中，X軸方向上的分速度也在不斷增加，從而導(dǎo)致湍流強(qiáng)度不斷增加，對(duì)流動(dòng)的阻礙作用也越來(lái)越大，最終表現(xiàn)形式則為f因子隨v的增加而不斷減小；而在同一進(jìn)氣速度v時(shí)，同樣受速度v在X軸上的分量隨β增加而增加的影響，也出現(xiàn)摩擦因子f同β增加而減小的情況，如圖7所示，其中相較于各風(fēng)速下進(jìn)氣角度β為15°時(shí)的摩擦因子f，β為90°時(shí)分別降低51.43%、50.90%、51.33%、51.51%、51.86%，這一現(xiàn)象同樣受湍流強(qiáng)度增加的影響。在對(duì)圖5所示相關(guān)數(shù)據(jù)做進(jìn)一步分析之后發(fā)現(xiàn)，同一進(jìn)氣速度下，當(dāng)進(jìn)氣角度β>60°時(shí)，不同方向下的摩擦因子f的變化已不再明顯，將其分別與同速度下90°時(shí)的摩擦因子f比較后發(fā)現(xiàn)，變化范圍均小于6.5%，從中可知，同一進(jìn)氣速度時(shí)，β對(duì)摩擦因子f大的影響主要集中于中小傾角工況下，而在大傾角時(shí)的影響并不明顯。

圖5 β與f的關(guān)系曲線

圖6 90°時(shí)各速度下XY中間面湍流強(qiáng)度

圖7 4.5 m/s時(shí)各角度下XY中間面處湍流強(qiáng)度

3.2 冷側(cè)進(jìn)氣方向及風(fēng)速對(duì)Nu因子的影響

圖8為冷側(cè)進(jìn)氣方向β及風(fēng)速v同Nu因子的關(guān)系曲線，由圖可知：在同一進(jìn)氣方向β時(shí)，速度v在X軸上的分量隨v的增加而增加，從而出現(xiàn)Nu隨v增加而增加的情況，其中相較于各進(jìn)氣方向β下冷側(cè)風(fēng)速為4.5 m/s時(shí)的Nu因子，冷側(cè)風(fēng)速為7.5 m/s時(shí)分別增加34.24%、33.41%、29.65%、28.29%、27.75%、27.23%。其中原因在于2個(gè)方面，其一如圖6所示，在進(jìn)氣方向不變的情況下，進(jìn)氣速度的增加將使湍流強(qiáng)度增加，而高湍流強(qiáng)度則有利于傳熱，其二是隨進(jìn)氣速度的增加，冷側(cè)氣流的質(zhì)量流量不斷增加，從而可以帶走更多熱量，最終在二者的共同作用下出現(xiàn)Nu不斷增加的情況；而在同一進(jìn)氣速度v時(shí)，同樣因速度v在X軸上的分量隨β增加而增加的影響，也出現(xiàn)Nu因子同β增加而增加的情況，其中相較于各風(fēng)速下進(jìn)氣角度β為15°時(shí)的Nu因子，β為90°時(shí)分別增加64.87%、63.05%、59.36%、57.10%、56.27%，這一現(xiàn)象同樣受湍流強(qiáng)度和質(zhì)量流量增加的影響。在對(duì)圖8所示相關(guān)數(shù)據(jù)做進(jìn)一步分析之后發(fā)現(xiàn)，同一進(jìn)氣速度下，當(dāng)進(jìn)氣角度β大于60°時(shí)，不同方向下的Nu因子的變化已不再明顯，將其分別與同速度下90°時(shí)的Nu因子比較后發(fā)現(xiàn)，變化范圍均小于5%，從中可知，同一進(jìn)氣速度時(shí)，β對(duì)Nu因子大的影響主要集中于中小傾角工況下，而在大傾角時(shí)的影響并不明顯。

圖8 β與Nu的關(guān)系曲線

3.3 冷側(cè)進(jìn)氣方向及風(fēng)速對(duì)PEC的影響

圖9為冷側(cè)進(jìn)氣方向β及風(fēng)速v同PEC的關(guān)系曲線，由圖可知：在同一進(jìn)氣方向β時(shí)，速度v在X軸上的分量隨v的增加而增加，從而出現(xiàn)PEC隨v增加而增加的情況，其中相較于各進(jìn)氣方向β下冷側(cè)風(fēng)速為4.5 m/s時(shí)的PEC，冷側(cè)風(fēng)速為7.5 m/s時(shí)分別增加55.80%、46.64%、48.49%、46.99%、49.20%、49.06%，其中原因同樣是受隨β增加而增加的湍流強(qiáng)度和質(zhì)量流量的影響；而在同一進(jìn)氣速度v時(shí)，同樣因速度v在X軸上的分量隨β增加而增加的影響，也出現(xiàn)PEC同β增加而增加的情況，其中相較于各風(fēng)速下進(jìn)氣角度β為15°時(shí)的PEC因子，β為90°時(shí)分別增加239.25%、232.13%、227.42%、223.99%、224.57%，這一現(xiàn)象同樣受湍流強(qiáng)度和質(zhì)量流量增加的影響。在對(duì)圖9所示相關(guān)數(shù)據(jù)做進(jìn)一步分析之后發(fā)現(xiàn)，同一進(jìn)氣速度下，當(dāng)進(jìn)氣角度β大于60°時(shí)，不同方向下的PEC因子的變化已不再明顯，將其分別與同速度下90°時(shí)的Nu因子比較后發(fā)現(xiàn)，變化范圍均小于7%，從中可知，同一進(jìn)氣速度時(shí)，β對(duì)PEC大的影響主要集中于中小傾角工況下，而在大傾角時(shí)的影響并不明顯。

圖9 β與PEC的關(guān)系曲線

4 結(jié)論

通過(guò)對(duì)百葉窗翅片-管式熱交換器在冷側(cè)進(jìn)氣速度v分別為4.5、5、6、7、7.5 m/s，各速度相對(duì)應(yīng)的進(jìn)氣方向β分別為15°、30°、45°、60°、75°、90°時(shí)的工水力性能研究后發(fā)現(xiàn)：

1) 同一進(jìn)氣方向β時(shí)，冷側(cè)風(fēng)速為7.5 m/s時(shí)的摩擦因子f最大降低14.64%；同一冷側(cè)風(fēng)速時(shí)，β為90°時(shí)的摩擦因子f最大降低51.86%，但當(dāng)β超過(guò)60°之后，變化已不再明顯；

2) 同一進(jìn)氣方向β時(shí)，冷側(cè)風(fēng)速為7.5 m/s時(shí)的Nu因子最大增加34.24%；同一冷側(cè)風(fēng)速時(shí)，β為90°時(shí)的Nu因子最大增加64.87%，但當(dāng)β超過(guò)60°之后，變化已不再明顯；

3) 同一進(jìn)氣方向β時(shí)，冷側(cè)風(fēng)速為7.5 m/s時(shí)的PEC最大降低55.80%；同一冷側(cè)風(fēng)速時(shí)，β為90°時(shí)的PEC最大增加239.25%，但當(dāng)β超過(guò)60°之后，變化已不再明顯。