電動(dòng)汽車(chē)空調(diào)室外換熱器空氣側(cè)流動(dòng)換熱模擬研究

劉妮,賀劍鋒,崔強(qiáng),張華,單小豐,靳曉堂

1.上海理工大學(xué) 能源與動(dòng)力工程學(xué)院 上海 200093;

2.上海北特科技股份有限公司 上海 201807

1 引 言

近年來(lái),電動(dòng)汽車(chē)由于不需要排放二氧化碳,不依賴(lài)化石燃料,逐漸成為汽車(chē)行業(yè)未來(lái)的發(fā)展方向.電動(dòng)汽車(chē)在冬季制熱時(shí)多采用PTC電加熱器,嚴(yán)重影響汽車(chē)的續(xù)航里程.在低溫-10℃時(shí),采用PTC電加熱器采暖能使電動(dòng)汽車(chē)的續(xù)航里程下降50%以上,而利用熱泵空調(diào)系統(tǒng)采暖可以使續(xù)航里程提升35%以上[1],因此車(chē)用熱泵空調(diào)系統(tǒng)便應(yīng)運(yùn)而生.而車(chē)外換熱器作為熱泵空調(diào)系統(tǒng)的重要部分,不同于傳統(tǒng)汽車(chē)空調(diào)室外換熱器只做冷凝器,在熱泵系統(tǒng)中,室外換熱器兼顧冷凝器與蒸發(fā)器兩種功能,因此提高室外微通道換熱器性能的研究具有實(shí)際意義.

目前對(duì)于室外換熱器研究主要集中在換熱器的結(jié)霜特性[2～5]與百葉窗結(jié)構(gòu)對(duì)室外換熱器傳熱與流動(dòng)特性的影響上.谷波等[6]研究了百葉窗結(jié)構(gòu)變化對(duì)微通道換熱器傳熱和流動(dòng)性能的影響,發(fā)現(xiàn)采用較大的百葉窗間距和翅片間距會(huì)使傳熱性能下降.趙松田[7]分析了換熱器進(jìn)口空氣濕度、風(fēng)速和布置傾角對(duì)整體性能的影響,實(shí)驗(yàn)表明,迎面風(fēng)速對(duì)換熱器空氣側(cè)壓降影響很大.張克鵬[8]研究發(fā)現(xiàn)翅片開(kāi)窗角度為45°且開(kāi)窗數(shù)為14個(gè)時(shí),微通道換熱器空氣側(cè)換熱量最大,壓降相對(duì)較小.劉欣欣等[9]提出一種新型變截面百葉窗翅片,與傳統(tǒng)的矩形翅片相比,綜合性能因子JF提高了7.65%.楊鳳葉等[10]提出一種換熱性能更佳的雙梯形百葉窗結(jié)構(gòu),得出當(dāng)雙梯形百葉窗間距L P=1.3 mm、翅片間距F P=1.4 mm時(shí),綜合性能最佳.徐博等[11]采用ε-NTU法建立了微通道換熱器數(shù)值模型,計(jì)算翅片參數(shù)對(duì)傳熱性能的影響,結(jié)果表明換熱系數(shù)與翅片間距呈負(fù)相關(guān),與開(kāi)窗角度呈正相關(guān).Arslan Saleem等[12]研究了不同翅片結(jié)構(gòu)微通道換熱器的空氣側(cè)熱工性能研究,結(jié)果表明百葉窗間距為1.0 mm的翅片在換熱和壓降特性方面具有最佳效果.張劍飛等[13]研究發(fā)現(xiàn)微通道換熱器空氣阻力與換熱量和迎風(fēng)面積相同的平翅片圓管換熱器空氣阻力相當(dāng),認(rèn)為獨(dú)特的扁管結(jié)構(gòu)和較小的換熱器厚度是其減小空氣阻力的有效手段.薛慶峰等[14]研究了流道布局對(duì)微通道平行流車(chē)外換熱器換熱和壓降性能的影響,結(jié)果表明,制冷工況下車(chē)外換熱器采用1∶3的流道布局時(shí),換熱量?jī)?yōu)于其他兩種布局,但其壓降更大.丁鎏俊等[15]研究了流程數(shù)、各流程扁管布置方式、扁管寬度和內(nèi)孔高對(duì)室外換熱器換熱及壓降的影響,在傳熱和壓降的限制下應(yīng)采用低流程數(shù),適當(dāng)增加扁管寬度和孔高.Jun Yu等[16]采用實(shí)驗(yàn)和數(shù)值模擬相結(jié)合的方法對(duì)換熱器外平行流動(dòng)微通道進(jìn)行了研究,實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,隨著進(jìn)氣壓力和進(jìn)氣流量的增加,傳熱速率增加.Amirnordin等[17]模擬分析,得出增加翅片間距時(shí),傳熱系數(shù)增加的同時(shí)壓降減小;而增加百葉窗間距時(shí),傳熱系數(shù)和壓降均減小.Kim和Bullard[18]對(duì)比了開(kāi)窗角度、翅間距對(duì)空氣側(cè)換熱的影響,發(fā)現(xiàn)當(dāng)開(kāi)窗角大于23°時(shí)增大翅間距換熱系數(shù)會(huì)增大,且翅片間距對(duì)換熱的影響會(huì)伴隨雷諾數(shù)的差異而減弱.目前對(duì)于百葉窗結(jié)構(gòu)對(duì)微通道換熱器傳熱和流動(dòng)性能的影響已有一定的研究,但依然不夠完善.

為了提升室外換熱器的流動(dòng)換熱性能,本文建立了百葉窗翅片換熱器三維模型,采用數(shù)值模擬研究了翅片間距和開(kāi)窗角度對(duì)空氣側(cè)傳熱和流動(dòng)特性的影響,得到了兩者對(duì)傳熱流動(dòng)的影響規(guī)律,并選取最佳間距和開(kāi)窗角度.

2 數(shù)值模擬方法

2.1 物理模型

微通道換熱器翅片由鋁制成,根據(jù)翅片幾何結(jié)構(gòu),將所研究翅片外側(cè)空氣域進(jìn)行建模.將翅片邊緣處溫度視為與扁管外壁面相同溫度.如圖1,設(shè)置計(jì)算域上下兩表面為周期面,水平方向兩表面為對(duì)稱(chēng)面,高度為一個(gè)管間距;左側(cè)為空氣速度進(jìn)口,為保證來(lái)流均勻,將計(jì)算區(qū)域向上游延伸2倍翅片間距;右側(cè)為空氣壓力出口,相對(duì)壓力為0 Pa,將計(jì)算區(qū)域向下游延伸以防出口區(qū)域回流產(chǎn)生[19];翅片表面溫度分布由翅片內(nèi)部熱傳導(dǎo)與空氣對(duì)流換熱耦合求解.將室外換熱器翅片結(jié)構(gòu)尺寸,列于表1中.

表1 百葉窗結(jié)構(gòu)參數(shù)

圖1 計(jì)算區(qū)域示意圖

2.2 網(wǎng)格劃分及獨(dú)立性驗(yàn)證

計(jì)算域網(wǎng)格由ICEM生成,由于百葉窗翅片結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜,整體劃分精度較低,所以對(duì)計(jì)算區(qū)域進(jìn)行分塊處理.計(jì)算區(qū)域網(wǎng)格劃分如圖2～3,固體域翅片及倒流邊界部分采用結(jié)構(gòu)網(wǎng)格,對(duì)流體域中與翅片接觸部分采用四面體非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格,其它區(qū)域應(yīng)用六面體非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格,最后對(duì)接觸區(qū)域流固耦合處理.由于翅片表面附近流體溫度速度變化比較劇烈,因此對(duì)翅片接觸面進(jìn)行邊界層處理.邊界層網(wǎng)格分三層,設(shè)置增長(zhǎng)率為1.2,最大厚度0.05 mm,進(jìn)口區(qū)域網(wǎng)格尺寸設(shè)置為1 mm,出口區(qū)域網(wǎng)格尺寸為2 mm,翅片與空氣接觸區(qū)域最大網(wǎng)格尺寸為0.1 mm.

圖2 固體域翅片網(wǎng)格劃分示意圖

圖3 流體域空氣網(wǎng)格劃分示意圖

在進(jìn)行數(shù)值模擬之前,需對(duì)網(wǎng)格進(jìn)行獨(dú)立性分析,確定模擬結(jié)果與網(wǎng)格數(shù)量無(wú)關(guān).網(wǎng)格獨(dú)立性分析方法為比較相同模型在不同網(wǎng)格數(shù)量下所求得的Colburnj因子與阻力因子f的相對(duì)差值.本文對(duì)三套不同數(shù)量網(wǎng)格(110萬(wàn)、230萬(wàn)、560萬(wàn))進(jìn)行獨(dú)立性分析,計(jì)算結(jié)果如圖4所示.

圖4 網(wǎng)格獨(dú)立性驗(yàn)證

網(wǎng)格數(shù)量110萬(wàn)與230萬(wàn)之間Colburnj因子的最大偏差為4.86%,平均偏差為3.95%;阻力因子f最大偏差為12.23%,平均偏差為10.99%.網(wǎng)格數(shù)量230萬(wàn)與560萬(wàn)模型之間Colburnj因子的最大偏差1.56%,平均偏差為0.91%;阻力因子f最大偏差為1.23%,平均偏差為0.8%.230萬(wàn)網(wǎng)格數(shù)值結(jié)果可認(rèn)為獨(dú)立,本文對(duì)空氣側(cè)流動(dòng)傳熱模擬采用網(wǎng)格數(shù)為230萬(wàn).

2.3 模型可靠性驗(yàn)證

對(duì)比本文模擬結(jié)果與采用Chang& Wang[20]實(shí)驗(yàn)關(guān)聯(lián)式計(jì)算結(jié)果,得出圖5,由圖可知,50≤Re≤950范圍內(nèi),數(shù)值模擬結(jié)果得出的Colburnj因子與Chang & Wang實(shí)驗(yàn)關(guān)聯(lián)式最大偏差為9.1%,平均偏差為7.8%;阻力因子f數(shù)值與實(shí)驗(yàn)關(guān)聯(lián)式最大偏差為11.52,%,平均偏差為7.35%.數(shù)值計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)關(guān)聯(lián)式計(jì)算結(jié)果之間的偏差符合一般工程應(yīng)用要求,且變化規(guī)律相同,因而本文使用模型的正確性得到驗(yàn)證.

圖5 模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)關(guān)聯(lián)式的Colburn j因子與阻力f因子對(duì)比圖

3 結(jié)果及分析

通過(guò)以下幾個(gè)參數(shù)對(duì)空氣側(cè)流動(dòng)傳熱進(jìn)行研究:空氣側(cè)換熱系數(shù)h、壓降ΔP、Colburnj因子、阻力因子f以及綜合能效因子JF[21],其中JF是一個(gè)無(wú)量綱數(shù),用以衡量相同輸入功率下所能達(dá)到的換熱性能,可用來(lái)評(píng)價(jià)空氣側(cè)流動(dòng)換熱的綜合性能,其參數(shù)定義如下:

3.1 翅片間距對(duì)流動(dòng)傳熱的影響

對(duì)翅片深度16 mm,翅片高度5 mm,開(kāi)窗角度27°,翅片間距1.0 mm,1.4 mm,1.8 mm進(jìn)行數(shù)值計(jì)算,分析翅片間距對(duì)微通道室外換熱器空氣側(cè)傳熱和流動(dòng)的影響.空氣側(cè)換熱系數(shù)隨進(jìn)風(fēng)風(fēng)速Vin變化規(guī)律如圖6所示,進(jìn)風(fēng)風(fēng)速Vin一定時(shí),空氣側(cè)換熱系數(shù)隨翅片間距的減小而相應(yīng)增大;翅片間距一定時(shí),空氣側(cè)換熱系數(shù)隨進(jìn)風(fēng)風(fēng)速的增大而增加.

圖6 翅片間距對(duì)空氣側(cè)翅片換熱系數(shù)的影響規(guī)律

隨著進(jìn)風(fēng)風(fēng)速的增大,翅片間距1.4 mm與翅片間距1.0 mm對(duì)應(yīng)的換熱系數(shù)之間的差值逐漸減小,結(jié)合圖7不同翅片間距下溫度云圖可以看出,百葉窗翅片在進(jìn)風(fēng)風(fēng)速4 m/s時(shí),翅片間距的增大導(dǎo)致整個(gè)空氣域的溫度有所下降,并且在中心過(guò)渡區(qū)和出口段溫度變化較為明顯,其原因是百葉窗翅片間距較小時(shí),空氣主要從百葉窗通道流過(guò),流動(dòng)過(guò)程中流道長(zhǎng)度增加,空氣與翅片換熱更加充分,換熱效率高,因而中心平面與出口處溫度較高.當(dāng)翅片間距較大時(shí),空氣與百葉窗的擾動(dòng)減弱,百葉窗通道流作用性減弱,管導(dǎo)向流的作用性增強(qiáng),更多的空氣流經(jīng)管導(dǎo)流通道,因此換熱效果減弱.由于百葉窗翅片與空氣擾動(dòng)減弱,所以F p增大后流動(dòng)阻力也應(yīng)呈現(xiàn)下降趨勢(shì),從圖8也可佐證這一觀(guān)點(diǎn).另外從圖8還可以看出,隨著翅片間距的增加,空氣側(cè)壓降逐漸減小.

圖7 不同翅片間距下的空氣側(cè)溫度場(chǎng)示意圖

圖8 翅片間距對(duì)空氣側(cè)壓降的影響規(guī)律

如圖9所示,雷諾數(shù)較低時(shí)Colburnj因子隨F p的增大而減小,然而這種趨勢(shì)隨著雷諾數(shù)的增加而減弱,并且高雷諾數(shù)下F p=1.0 mm時(shí)的Colburnj因子基本與另兩組重合.這表明在低雷諾數(shù)下,較小的翅片間距更有助于強(qiáng)化空氣與百葉窗間的換熱,而當(dāng)雷諾數(shù)增大后這種促進(jìn)效果有所降低,此時(shí)應(yīng)從其他指標(biāo)因素去衡量.在空氣側(cè)阻力方面,從圖9中的阻力因子f曲線(xiàn)可以看出,增大翅片間距有助于降低空氣側(cè)的流動(dòng)阻力,但當(dāng)雷諾數(shù)升高后,想要降低流動(dòng)阻力,單單提升F p效果并不明顯.

圖9 不同翅片間距下的Colburn j因子與阻力因子f變化情況

不同翅片間距下JF因子變化如圖10所示,在Re＜300時(shí)增大F p會(huì)導(dǎo)致JF因子小幅下降;當(dāng)Re＞300時(shí)JF因子隨F p的增大而升高.鄧敏鋒[22]通過(guò)數(shù)值模擬,在不同迎面風(fēng)速下研究得出空氣側(cè)的換熱系數(shù)和壓降均與翅片間距呈負(fù)相關(guān).董軍啟[23]給出了不同翅片間距F P時(shí),j因子和f因子隨Re的變化曲線(xiàn),發(fā)現(xiàn)隨著翅片間距F P的增加,傳熱j因子和摩擦f因子而降低,兩者與本文研究發(fā)現(xiàn)相契合.綜合JF因子與上述各參量變化趨勢(shì)后,本文室外換熱器翅片參數(shù)中的翅片間距取1.4 mm更為適合.

圖10 不同翅片間距下的JF因子變化情況

3.2 翅片開(kāi)窗角度對(duì)流動(dòng)傳熱的影響

百葉窗翅片通過(guò)對(duì)空氣的擾動(dòng)形成邊界層,來(lái)引導(dǎo)空氣流向,開(kāi)窗角度θ作為百葉窗翅片關(guān)鍵結(jié)構(gòu)參數(shù),對(duì)空氣側(cè)流動(dòng)換熱有著重要影響.對(duì)翅片寬度16 mm,翅片間距1.4 mm的百葉窗翅片,空氣進(jìn)風(fēng)風(fēng)速Vin=1.0～6.0 m/s,開(kāi)窗角度23°、27°、30°進(jìn)行數(shù)值計(jì)算,分析了翅片開(kāi)窗角度對(duì)微通道室外換熱器傳熱和流動(dòng)的影響.不同開(kāi)窗角度θ下空氣側(cè)的換熱系數(shù)和壓降的變化趨勢(shì)如圖11所示,當(dāng)開(kāi)窗角度一定時(shí),換熱系數(shù)與壓降均隨進(jìn)風(fēng)風(fēng)速的增大而升高.對(duì)比相同進(jìn)風(fēng)風(fēng)速下不同開(kāi)窗角度曲線(xiàn),發(fā)現(xiàn)增加開(kāi)窗角度后換熱系數(shù)h會(huì)呈現(xiàn)先增加后減小的趨勢(shì),可以判斷出存在一個(gè)最佳開(kāi)窗角度值,在該值下百葉窗翅片空氣側(cè)換熱最優(yōu).

該現(xiàn)象符合Kajino[24]提出的邊界層沖擊理論,該理論表示百葉窗類(lèi)翅片強(qiáng)化換熱機(jī)理在于每一個(gè)百葉窗翅片前端形成的薄邊界層,而這類(lèi)邊界層通常在氣流的影響下是不平衡的,具體表現(xiàn)在百葉窗上下表面的換熱能力上,百葉窗總換熱能力是上下表面換熱能力之和,在某個(gè)環(huán)境條件下存在閾值.結(jié)合圖12溫度場(chǎng)進(jìn)行分析,發(fā)現(xiàn)開(kāi)窗角度θ的升高整個(gè)空氣域溫度略微下降.設(shè)定來(lái)流方向?yàn)檎较?在進(jìn)口迎風(fēng)面位置(圖示A區(qū)域),隨著開(kāi)窗角度θ的升高,百葉窗正面溫度有所下降,百葉窗背面溫度呈現(xiàn)上升趨勢(shì),這是由于翅片角度增大后,空氣中百葉窗導(dǎo)向流所占比例隨之增大,隨后達(dá)到臨界值,到達(dá)臨界值之后,空氣側(cè)流動(dòng)方式管導(dǎo)向流所占比例增加,增強(qiáng)了百葉窗翅片背面換熱,因而導(dǎo)致了百葉窗翅片正背面溫度差異.

由圖11與圖13可以看出,空氣側(cè)壓降Δp會(huì)隨開(kāi)窗角度θ的增大而有所升高.開(kāi)窗角度θ由23°增大到27°時(shí),空氣側(cè)壓降變化相較于27°到30°比較明顯,這主要是由于27°開(kāi)窗角更接近百葉窗導(dǎo)向流與管導(dǎo)向流的臨界平衡值,壓降變化比較明顯.在開(kāi)窗角度達(dá)到30°后,空氣的流動(dòng)方式主要為管導(dǎo)向流,θ對(duì)Δp的影響有所下降.如圖13所示,在較低雷諾數(shù)時(shí),隨著開(kāi)窗角度的增加,Colburnj因子變化不是很明顯,在較高雷諾數(shù)時(shí),隨著開(kāi)窗角度的增加,Colburnj因子有明顯的上升,并且23°到27°的增幅明顯高于27°到30°范圍,這與開(kāi)窗角度對(duì)換熱系數(shù)影響趨勢(shì)相同.由圖12與圖13分析開(kāi)窗角對(duì)空氣側(cè)流動(dòng)的影響,可以看出開(kāi)窗角度的增加,阻力因子f呈現(xiàn)上升趨勢(shì),即增加開(kāi)窗角度不利于空氣側(cè)的流動(dòng)換熱,隨后根據(jù)Colburnj因子和阻力因子f數(shù)值計(jì)算出JF因子,結(jié)果如圖14所示.

圖11 不同開(kāi)窗角度下空氣側(cè)壓降及換熱系數(shù)變化情況

圖12 不同開(kāi)窗角度下空氣溫度場(chǎng)分布圖

圖13 不同開(kāi)窗角度下Colburn j因子與阻力因子f變化情況

圖14 不同開(kāi)窗角度下JF因子變化情況

從圖14可以看出,隨著雷諾數(shù)的增加,綜合評(píng)價(jià)JF因子呈現(xiàn)下降趨勢(shì);對(duì)于相同雷諾數(shù)情況,開(kāi)窗角度θ為23°與27°時(shí)的綜合評(píng)價(jià)因子高于30°.然而對(duì)于較小開(kāi)窗角下的JF因子評(píng)價(jià),則要根據(jù)具體雷諾數(shù)進(jìn)行討論,當(dāng)Re＜300時(shí),JF因子隨著開(kāi)窗角度的升高有所下降,說(shuō)明增大開(kāi)窗角度對(duì)不利于百葉窗翅片空氣側(cè)綜合性能的提高,即車(chē)輛日常車(chē)速較低,室外換熱器迎面風(fēng)速較低時(shí),百葉窗翅片開(kāi)窗建議選取較低開(kāi)窗角度.當(dāng)Re＞300時(shí),θ=27°較優(yōu),并且30°下JF因子降幅減緩,說(shuō)明較高雷諾數(shù)時(shí),增大開(kāi)窗角度有利于提升空氣側(cè)流動(dòng)換熱的綜合性能,較大的翅片開(kāi)窗角更適合迎面風(fēng)速更大的情形.

4 結(jié) 論

(1)當(dāng)進(jìn)風(fēng)風(fēng)速一定時(shí),空氣側(cè)換熱系數(shù)與隨翅片間距的減小而相應(yīng)增加;翅片間距一定時(shí),空氣側(cè)換熱系數(shù)隨進(jìn)風(fēng)風(fēng)速的增大而增加.隨著進(jìn)風(fēng)風(fēng)速的增大,翅片間距1.4 mm與翅片間距1.0 mm對(duì)應(yīng)的換熱系數(shù)之間的差值逐漸減小.

(2)在Re＜300時(shí)增大F p會(huì)導(dǎo)致JF因子小幅下降;當(dāng)Re＞300時(shí)JF因子隨F p的增大而升高,進(jìn)風(fēng)風(fēng)速越高時(shí),增大翅片間距對(duì)綜合性能更有利,因此百葉窗翅片間距取1.4 mm.

(3)當(dāng)Re＜300時(shí),JF因子隨著開(kāi)窗角度的升高有所下降,說(shuō)明增大開(kāi)窗角度對(duì)不利于百葉窗翅片空氣側(cè)綜合性能的提高;當(dāng)Re＞300時(shí),θ=27°較優(yōu),并且30°下JF因子降幅減緩,說(shuō)明較高雷諾數(shù)時(shí),增大開(kāi)窗角度有利于提升空氣側(cè)流動(dòng)換熱的綜合性能,因此翅片開(kāi)窗角度取27°更優(yōu).