（热能工程专业论文）多区域开窗翅片平行流冷凝器热力性能试验研究.pdf

摘要 全铝平行流百叶窗翅片换热器以其高效性和紧凑性已经在制冷空调、汽车 及航空航天、动力机械等方面获得广泛的应用，如汽车空调蒸发器和冷凝器、 汽车增压发动机和水箱散热器等均采用百叶窗翅片结构。开发一种新型的百叶 窗翅片并对其进行试验研究对全铝平行流百叶窗翅片换热器具有非常现实的意 义应用测试技术先进的试验台对换热器进行各项性能测试，获得精确全面的 换热器各项性能参数，分析获得参数对其的影响，是当今换热器研究领域的主 流 本文首先介绍了换热器以及汽车空调上应用的两器的结构和性能特点，全 铝平行流换热器( 在汽车空调上应用) 的研究现状和发展前景对现今在各个领 域大范围使用的百叶窗冷凝器的换热过程进行了理论分析，描述了s a t a k e 公 司设计制造的汽车空调综合性能试验台的工作原理，并在这个测试台上对装有 多种多区域开窗翅片及普通翅片的冷凝器进行了对比测试，分析了测试数据的 特点，总结了数据的变化规律，采用结构性能参数( _ ，) m 及换热系数一泵功法 比较了7 种翅片的热力性能，得到了翅片侧的厂一r e 、_ ，船等的关系曲线及试 验关联式，对比结果表明在相同的试验条件下，多区域开窗的平行流冷凝器的 换热效果比普通百叶窗翅片平行流冷凝器的换热性能平均提高7 3 ，空气侧的 流动阻力平均增大2 4 。 本文作者最后对所做的课题工作进行了总结，提出了课题的展望，诚恳的 指出有待进一步完善之处，同时提出了比较有效的弥补和改进所做课题研究的 途径 关键词：平行流 冷凝器多区域开窗翅片 汽车空调 百叶窗 a b s t r a c t t h ea l u m i n u mb r a z e d h e a t - e x c h a n g e rw i t hl o u v e r e df i na n dp a r a l l e lf l o wt u b e w a sw i d e l yu s e di nr e s i d e n t i a la i rc o n d i t i o n i n gs y s t e m ，a u t o m o t i v e ，a v i a t i o n ， d y n a m i c a lm a c h i n ef i e l d sd u et oi t sh i g hc o m p a c t n e s s ，l o ww e i g h ta n dl o wc o s t s u c h 勰e v a p o r a t o ra n dc o n d e n s e ro na u t o m o b i l ea i rc o n d i t i o n e r , m o t o re n g i n ew i t h a u g m e n tp r e s s u r ea n dv e h i c l e r a d i a t o rw e r eu s i n gl o u v e rf i nc o m p a c te x c h a n g e r i t s p r a c t i c a lt od e v e l o pan e wk i n dl o u v e rf i nb o t hw i t he x p e d m e n t a is t u d ya n d n u m e r i c a li n v e s t i g a t i o no na l u m i n u mb r a z e dh e a te x c h a n g e r i no r d e rt oo b t a i nf u l l a n da c c u r a t ep a r a m e t e rd a t aa b o u th e a te x c h a n g e r ，t h ee x p e r i m e n t a ls t u d yu n d e r a d v a n c e dt e s tf a c i l i t yc o m b i n i n gw i t hn u m e r i c a ls i m u l a t i o ni st h em a i nw a ym o s t l y u s e db yi n v e s t i g a t o r si nt h ew o r l d i nt h i sp a p e r b o t hc o n f i g u r a b l ea n dt h e r m a lc h a r a c t e r i s t i co fh e a te x c h a n g e r o nv e h i c l ew a sp r e s e n t e df i r s t l y , t h ea c t u a l i t ya n df o r e g r o u n ds t u d yo ne v a p o r a t o r a n dc o n d e n s e rw a sa sf o l l o w h e a tt r a n s f e ra n df l o wo nh e a te x c h a n g e rw e r e t h e o r e t i c a l l ya n a l y z e d t h ew o r k i n gp r i n c i p l eo fp e r f o r m a n c et e s tf a c i l i t yp r o d u c e d b ys a t a k ew a sd e s c r i b e dt o o f i n a l l y , e x p e r i m e n t a ls t u d yo nh e a tt r a n s f e r p e r f o r m a n c eo fm u l t i r e g i o nl o u v e rf i n sw i t h7d i f f e r e n ts t r u c t u r a lp a r a m e t e r sw a s c a r r i e do u to nap e r f o r m a n c eo fa u t o m o b i l ea i rc o n d i t i o n e rt e s tf a c i l i t y i n f l u e n c eo f t h ef i ns u r f a c e sl o u v e rr e g i o no nh e a tt r a n s f e ra n df l o wr e s i s t a n c ec h a r a c t e r i s t i cw a s c o m p a r e da n da n a l y z e d ，i nw h i c ht h el o u v e rr e g i o n sh a v eas t r o n gi n f l u e n c eo n f a c t o r sja n d ，s i m u l t a n e o u s l y , t h ef a c t o r ( j f ) 协w a su s e dt oe v a l u a t et h e e n h a n c e dh e a tt r a n s f e re f f e c to ft h e7k i n d so fl o u v e rr e g i o n sf i n s a tl a s t ，s u m m a r y t h ec h a n g i n gr u l eo ft h ed a t ag e a i n gf r o mt h et e s tf a c i l i t y r e s u l t ss h o wt h a t m u l t i r e g i o nl o u v e rh a st h em o s to b v i o u se f f e c ti ne n h a n c i n gh e a tt r a n s f e r as e r i a l o fc o r r e l a t i o n sw e r ed e v e l o p e db a s e do np r e v i o u sr e s e a r c hr e s u l ta n dc u r r e n td a t a a tt h el a s tp o r t i o no ft h i sp a p e r , a l lt h ew o r kh a db e e nd o w nw a ss u m m a r i z e d ，t h e w a yo fd e v e l o p i n ga n di m p r o v i n go ft h em u l t i - r e g i o nl o u v e r e df i nh e a te x c h a n g e ri s p u tf o r w a r d b r a z e d - h e a t - e x c h a n g e r m u l t i - r e g i o n l o u v e r e d f i n a u t o m o t i v e a i r - c o n d i t i o n e r l o u v e r 主要符号表 英文字母： 彳 表面积m 2 昂翅片间距m m 昂相邻百叶窗的流道宽度m m 凡翅片高度m m 6 翅片厚度m m 幻翅片长度m m 厶换向区长度m m 三，百叶窗长度m m 邱百叶窗间距m m l e 耶百叶窗间距和翅片间距比值 乃翅片流动方向长度m m 昂扁管间距m m 乃扁管长度m m h 焓值j k g 日 传热系数w m 2 k g 热流密度w m 2 q换热量w k 导热系数w m 2 k c _ 比热j k g k n当量直径 肌开窗区域数 m 质量k g p 医如p a 丁温度k 尺 气体常数k j k g k 嘶速度m s y 体积m 3 一v i 蜥迎面风速m s h 对流换热系数w m 2 k 翦笛卡尔坐标( i _ 1 ，2 ，3 ) ，m 七d气侧综合性能指数 传热因子 摩擦阻力因子 希腊字母： 1 ， 运动粘度m 2 s l l动如糕菠p a s 口 百叶窗开窗角度。 p密度k g m 3 即 翅化效率 叩， 翅片效率 下标 s t d 标准的 a i r 空气 准则数 办 普朗特数 船 雷诺数 n u 努塞尔数 & 斯坦顿数 一v l l 浙江大学研究生学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究 成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已 经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得浙江大学或其他教育机构的学位 一魏勺卅蕾熙“朋 学位论文版权使用授权书 权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。 本人授权浙江大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 一躲一翮毛 签字日期： 矗年l ，月护1 3 r 签字日期： 弼年扫月护 学位论文作者毕业后去向： 工作单位： 通讯地址： 导师签名：布f 7 丁 七科 签字日期： 够j 年“月加e t 电话： 邮编： 浙江大学硕士学位论文1 绪论 1 绪论 换热器是一种广泛应用于化工、动力、冶金、制冷、建筑、电子、航空等 工业部门的热交换工艺设备。科学技术的迅猛发展，要求换热设备紧凑、高效、 体积小、重量轻，促使人们去研究高效换热器。在航空、汽车等特殊行业中， 对换热器的体积、重量等方面的要求更高百叶窗翅片式换热器有更优良的传 热性能，更高的紧凑性指标，在目前的汽车行业中应用最为广泛，前景也最为 远大 1 1 换热器的分类 能满足某种规定工艺的要求使得热量从热流体到冷流体传递的装置被称为 换热器。换热器的分类方法有很多，最基本的是按照工作原理来分：通常可分 为回热式、混合式和间壁式三大类回热式换热器多用于空气预热一般是将 金属和砖类物体做成流道，热流体和冷流体交替地流过同一个通道，并尽量避 免混合在混合式换热器中全部流体均匀地处于同温同压下离开换热器这种 换热器虽然换热效率高，但因两种流体的相互混合，故其在应用上受到一定的 限制。问壁式换热器中，高温流体和低温流体由壁面间隔分另0 位于壁面的两侧， 热量通过壁面进行传递 按照冷流体和热流体的流动方向可分为顺流式、逆流式、错流式和混流式。 顺流和逆流是间壁式换热器中最简单的流动方式工程上由于需要传递大量的 热而受到空间的限制，往往要采用多流程的、错流的以及更为复杂的换热器。 在错流式换热器中，还要区分混合流和非混合流 按照传热壁面的结构形式来分，大致可分为管式换热器，板式换热器、夹 套式换热器以及各种异形传热面组成的特殊换热器等类型。管式换热器又可以 分为套管式、管壳式、u 形管式以及翅片管式等多种形式。从本质上说，套管 式换热器是一根小直径管同心套在另一根较大直径的管内组成它可以做成多 种形式的串联和并联，以适应相应的工艺要求它主要用于无相变的加热或冷 却其特点是传热面积虽不大，但使用、安装的灵活性较大，且容易清洗。管 l 浙江大学硕士学位论文i 绪论 壳式换热器的应用广泛，在相同体积或重量下，传热面积较大，且机械强度也 较大，易于维修和清洗。u 型管式换热器只有一个管束管子两端均固定在同 一管板上这种换热器使用于流体问温差较大、压力较高的工况下，但管程流 速对压降的限制较大，且要求流体无腐蚀性和不易结垢。翅片管式换热器与一 般管壳式换热器的不同之处仅在于用翅片代替了光管作为换热面翅片可以横 向安置，也可以沿管轴纵向安置。翅片可以安置在管外、管内、或内外兼有 翅片可铸出，也可以机械加工、轧制或焊接而成翅片管换热器可以有一根或 若干根翅片管组成，如室内取暖用翅片管散热器，也可以再配有外壳、风机等 组成空冷器型式的换热器。翅片管是翅片管换热器的主要换热元件管内、外 流体通过管壁及翅片进行热交换由于翅片扩大了传热面积，使换热得到改善。 翅片管换热器与光管相比，其传热面积可增大数倍至数十倍，以光管传热面为 基准的传热系数可增加数倍且结构紧凑。 1 2 汽车冷却系统换热器概述 1 2 1 水散热器概述 汽车冷却系统包括机械冷却系统和驾驶室制冷系统。前者的主要部件是水 散热器，后者的主要部件是冷凝器和蒸发器。水散热器是汽车冷却系统中重要 的一个部件，其公用是将冷却水从发动机内吸收的热量传给外界的空气，使冷 却水温下降，保证发动机正常、可靠地运行n 。9 1 。 汽车上使用的散热器一般由上集水箱、散热器芯体、下集水箱、进出水口、 加水口、蒸汽排出口、散热器盖等零件组成。而且前车辆上使用的散热器，主 要有管片式和管带式两种管片式散热器与管带式散热器主要区别是它们的芯 体结构不同，管片式散热器的芯体由主板、水管、散热片等组成，水管截面为 椭圆形，表面镀有一层很薄的锡。散热片是厚度为o 0 伽1 2 的铜带在散热 片上，按水管的截面形状和尺寸以一定的排列冲孔，再将它套串在水管上，然 后在一定的温度下进行整体焊接构成芯体。管片式散热器芯体的优点是刚性好， 缺点是工艺复杂，比管带式传热能力略低管带式的芯体，由水管和翅片逐层 浙江大学硕士学位论文l 绪论 迭放，然后整体焊接而成管带式散热器的优缺点与管片式散热器相反。管带 式散热器从6 0 年代开始大量生产，至今已经得到广泛的运用，我国很多型号的 轿车都是采用的管带式散热器百叶窗翅片式换热器从上世纪5 0 年代就已经存 在，在近二十年中更是得到了快速的发展和日益广泛的运用从材料、结构， 到设计和生产等多方面都有了长足的进步在结构上，现在用的更多的是管带 式，而以前用的翅片管较多些以前的材料一般是以铜合金为主，而现在一般 用铝合金作为主要材料，既降低了制作成本，又减轻了重量，强化了传热性能 到目前，铝散热器已基本取代铜散热器广泛应用于汽车发动机冷却系统中 国内生产铝散热器的厂家除哈尔滨交通器材股份有限公司外，还有一汽散热器 集团、青岛大洋散热器厂、石家庄汽车散热器厂等。重庆市的超力高科技公司 也生产散热器，但规模不大，主要为长安集团提供汽车散热器配件，同样上海 双桦汽车零部件有限公司也生产汽车散热器配件等。散热器的铝合金化是汽车 轻量化的一个重要技术方向，在这项工作中，关键的技术是高频焊多层复合铝 合金薄壁管材及制造技术，在散热器系统轻量化中有着重要作用。目前，高频 焊接技术以其高质、高效、低成本的技术特点，在热交换器行业中占有越来越 重要的地位 水散热器是汽车冷却系统中的重要部件之一，其性能的好坏直接影响到整 个系统的性能。水散热器的研究一直是汽车冷却系统领域比较热门的研究课题 目前国内外散热器研究总的趋势为：传热机理与强化传热的研究；使用计算机 模拟技术及人工智能技术改进设计方法；基于系统目标对换热器进行优化设计 1 3 汽车空调制冷系统换热器概述 汽车空调系统中主要换热部件为蒸发器和冷凝器蒸发器的作用是在高温 天气时将制冷剂冷量传递给驾驶室，制冷剂一般为r 1 3 4 a ；冷凝器的作用是将 从压缩机出来的高温高压压缩气态制冷剂冷凝成相对低温低压的液态，返回蒸 发器入口 目前汽车上使用的蒸发器和冷凝器多用百叶窗翅片式换热器o 其中蒸发器 采用层叠式百叶窗翅片式换热器；冷凝器多为全铝平行流百叶窗翅片式换热器 3 浙江大学硕士学位论文l 绪论 百叶窗翅片式换热器n 胡“引的种类很多，根据流道的形状及布置方式，常见 的有以下几种：下图中的六种类型的换热器，其管侧都是扁管，气侧有三角形 或矩形的流道，图1 4 是扁管翅式，图1 3 和图1 5 带有隔板，图1 1 无隔板 本课题所要研究的是图1 4 型，采用常见的百叶窗翅片式换热器的扁管，而百 叶窗翅片则设计为多区域开窗翅片 图1 1 管带式( 矩形流道) 舢rn o w 图1 2 管带式( 三角形流道) 4 浙江大学硕士学位论文 l 绪论 l o u y e rn n a i r1 1 0 s p l i t t e rp l a t e 图1 3 带有隔板的管带式( 矩形流道) a i rn o i # 图1 4 扁管翅式 5 浙江大学硕士学位论文l 绪论 图1 5 带有隔板的管带式( 三角形流道) 百叶窗翅片式换热器单位体积的换热面积通常可比管式换热器大十倍以 上其单位体积的传热面积一般都能达到2 0 0 0 m 2 m 3 以上百叶窗翅片式换热 器的特点有以下几点： 1 、传热效率高 在流体穿过百叶窗翅片的过程中，百叶窗上的边界层不断被破坏，又重新 生产，从而有效地降低了热阻，提高了传热效率，具有较高的换热系数；同时 由于所用金属的高导热性以及较小的当量直径，使得百叶窗翅片式换热器可以 达到很高的换热效率强制对流空气的传热系数可达到3 0 0 w ( m 2 ) 。 2 、结构牢固重量轻 由于百叶窗翅片很薄，通常为0 1 - 0 2 m m ，管材为扁管，而且结构紧凑， 一般用铝合金制造，因而重量很轻，焊接强度高，耐腐蚀性能好，相对铜散热 器而言，更能适应恶劣的工作环境 3 ，经济性好 由于结构紧凑，体积小，翅片和管子都采用铝合金作为材料，成本低，特 别在成批量生产的时候，相对其他型式的换热器来说成本大为降低 百叶窗翅片式换热器也有其缺点。因流道狭小容易引起堵塞而增大流动阻 力，对换热器的结垢处理非常棘手，清洗十分困难由于百叶窗翅片式换热器 6 浙江大学硕士学位论文l 绪论 的扁管和翅片都是用铝合金制成的，液体侧存在一定程度的腐蚀，特别是汽车 冷却系统用的水和汽车制冷空调用的制冷剂，其气侧工作环境恶劣，震动，腐 蚀都相当严重。如果气侧或液侧结垢严重，都将极其影响换热性能，液侧若由 于腐蚀而产生泄漏则很难修补百叶窗翅片式换热器虽然存在一定的缺点，但 其突出的各项优点使它得到越来越广泛的应用 1 4 全铝平行流百叶窗换热器的研究现状及发展方向 随着研究手段和生产工艺的发展，百叶窗翅片式换热器的紧凑度越来越高， 其性能价格比也是越来越好，在各个行业都得到了广泛的运用。因此，自从百 叶窗翅片式换热器问世以来，学者们对它的研究就从来没有终止过，从对它整 体换热性能的研究到对其流动机理、流动形态的研究，对百叶窗翅片式换热器 的发展和推广起到了显著的作用。 对百叶窗翅片式换热器的流动现象和流动特性进行研究，同对其它的传热 设备的研究一样，常见的方法有三种：理论分析、试验研究、数值模拟这三 种方法各有其适用的范围，但并不完全分开的把这三种研究手段巧妙地结合 起来可以收到相互补充、相得益彰的效果 1 4 1 百叶窗翅片性能的评价方法 百叶窗翅片式换热器的主要热阻在气侧，约占了其总热阻的8 5 以上，甚 至更高因此本文以空气侧流动传热为主要研究对象这里介绍几种综合性能 的评价方法，一般来说，性能评价的目的不同，在不同情况下采用的评价方法 也不尽相同 1 、传热因子和摩擦因子比较法 这个方法是由凯斯和伦敦阳1 提出来的，使用了传热因子_ ，、摩擦因子 斯 坦顿数和雷诺数恐等无量纲之问的函数关系式来表示传热表面的传热特性 和阻力特性由- ，f 的定义式可以得到： 7 浙江大学硕士学位论文l 绪论 w = 罨剿去 式中删为传热单元数，g 卅为质量流量( k g s ) ，a 。为换热器一侧的最小流 通截面积( m 2 ) ，却为压降( p a ) ，p r 为普朗特数。 由上式可以看出，当方括号内的值为常数时，_ ，与彳，成反比。也就是说， 在进行换热器设计时，如果已经选定了换热器的传热单元数胛u 和压降彳p ， 而且根据设计，要求质量流量为某一定值时，那么，所设计的_ ，f 越大，换热 器的自由流通截面积就越小因此，当要求设计迎风面积最小的换热器时，采 用上式所表述的方法来选择强化传热表面具有明显的优点这个方法又称为面 积最佳因子法 2 、热一泵耗功率函数比较法 前述的换热器的最佳几何尺寸( 如流道长度、自由通流截面积等) 对于车辆、 航空航天器等所使用的紧凑式换热设备来说是重要的，但其所反映的，从经济 上来讲，主要是设备的初始投资在换热器的运行过程中，为了克服流动工质 的流动阻力所消耗的泵功率( 如风扇功率和水泵功率) 简称泵耗功率，即运行费 用，也应当是比较重要的控制因素因此提出了传热一泵耗功率函数比较法。 ( 1 ) 勋比较法 这个方法的出发点是：首先，选定一个参考热力状态，由实验数据，计算 出此状态下各个传热面表面传热系数和单位传热面积的泵耗功率鼬；然后， 在通道当量直径眈相同的条件下，进行各传热表面的性能比较 如比较法与上面所介绍的面积最佳因子法一样，具有直观、简单 的优点，以其分别为纵坐标和横坐标作图，可以直接看出，位置最高的曲线所 代表的传热表便具有较高的传热强度也可以说，在相同温差下，要求传递相 同的热量，那么它所需的传热面积较小，这也就意味着换热器的体积较小。 ( 2 ) 玎d y e 。t d g 比较法 这个方法是蛔鼬比较法的一个修正方法，叩。y 和e ，t d j c ，分别表示 换热器单位体积的传热速率和泵耗功率，可分别为纵坐标和横坐标做出比较图， 位置最高的曲线印所代表的换热表面是性能最好的表面。 8 浙江大学硕士学位论文1 绪论 叩。蛔沙丘比较法其优点在于考虑了包括二次表面的肋壁的总效率 。舶的定义式为： 仇= 4 + 了r t 一a 2 ( 1 2 ) 式中a ，为一次换热面积，即壁面面积( m 2 ) ； a 2 为二次换热面积，即翅片的表面积( m ) ； 彳利，叫2 是换热器一侧的总换热面积( m ) ； 钐翅片效率( 或称肋片效率) ； | i c ，为换热器的单位体积内所布置的换热面积，称为传热面积密度，即 4 a ， 炉赢 ( 1 3 ) 式中勘为散热器的迎风面积( m 2 ) ； a c 为散热器的流通截面积( m 2 ) ； d e 为散热器的当量直径( m 2 ) ； 此种方法适用于紧凑式换热器设计以体积最小作为目标时的传热表面性能 评价 以c 砻咭闭砻争来评价 对于强化传热面来说，一般是表面传热系数和阻力系数同时增大，但增大 的比例往往不同，在不少情况下，亡要比肌增长快。因此，必须考虑强化传热 面的换热和阻力同时增大的比值肌批和孝磊；比值式中的“0 ”表示非强化 传热面这两个强化比均是大于1 的这就提出了以下的性能评价指标： 陪c 纠一。 9 ( 1 4 ) 浙江大学硕士学位论文l 绪论 这里，可以为1 3 ，诺里斯在1 9 7 1 年提出，刀可以取为0 6 8 p r o 捌5 ；并且实 验发现，当f 石大于4 以后，肌数不再增大 布鲁克建议用强化传热面增强放热的有效性参数占来评价强化传热面的有 效性和合理性。b = m m d ( 亡劲他认为，b 大于1 的强化传热面，才是有 效和合理的。然而，这种要求在有些情况下是不合适的，因为可以在较低的流 速下获得较高的换热系数，而泵耗功率几乎是与流速的三次方成正比的所以， 即使在b 值小于l 的情况下，依然可以在同样的泵耗功率下传递较大的热量 ( 4 ) 其它一些方法简介 在换热器的设计和生产过程中，还有其它一些方法被采用来作为散热器传 热和流动特性的综合评价指标 台湾能资所所进行的“连续变化百叶窗角度对翅片管式热交换器性能影响” 的文献中，为了描述变化百叶窗角度的综合换热性能，将综合换热系数定义为 传热系数与压降之比值( j l | 坳) 。在石油化工设备的文献“扁管管束结构优化实 验研究”中( h m p ) 也作为综合性能指标被用来评价换热器的换热和流动特性 对于汽车散热器、冷凝器，鉴于汽车行业的特殊要求，评价冷凝器的最主 要的指标还有紧凑性以及净质量指标。由于汽车冷却系统对汽车整体性能的重 要性，而汽车散热器、冷凝器又是汽车冷却系统中最关键的组成部分因此， 汽车散热器、冷凝器必须首先满足汽车在最恶劣工况下的散热量要求考虑到 汽车行业的特殊性，空气侧的压降会直接影响到风机的功率、尺寸的选择，这 也是一个不可忽略的重要指标另外，国外对汽车的净质量指标、体积指标很 重视，质量指标的高低直接影响汽车的动力性能、燃料消耗及轮胎磨损等科 学结果证明，若汽车自身质量指标降低1 0 ，则空气阻力系数降低约1 0 ，燃 油利用率提高3 从价值工程来看一辆汽车多1 0 0 k g 质量的剩余功能，在 年产量为l o 万辆时，将多消耗约l 万吨的材料，这不仅增加了制造成本，还给 运输、库存等增加了费用而在当今，随着生活水平的提高，厂商对汽车的设 计更趋向于美观和小型化，因此体积指标也是一个重要的因素在国外，对于 发动机功率在8 8 - 1 8 3 6 k w 的汽车，采用管带式散热器芯体的厚度控制在3 5 7 5 m m 范围内，发动机功率每千瓦的散热面积为o 1 5 0 0 2 1 8 m 2 k w 1 0 浙江大学硕士学位论文 i 绪论 1 4 2 试验研究及相关成果 随着对换热器的研究手段和生产工艺的发展，百叶窗翅片换热器的紧凑度 越来越高，换热效率越来越高，其性能价格比也是越来越好，在各个行业都得 到了广泛的应用因此，自从百叶窗翅片式散热器、冷凝器问世以来，学者们 对它的研究就从来没有中止过，从对它整体散热性能的研究到对其流动机理、 流动形态的研究，对百叶窗翅片散热器、冷凝器的发展和推广起到了显著的作 用 对百叶窗翅片式散热器、冷凝器的流动现象和流动特性进行研究，同对其 它的传热设备的研究一样，常见的方法有三种，理论分析、实验研究及数值模 拟。这三种方法各有其适用范围，但并不是完全分开的把这三种研究手段巧 妙地结合起来可以收到相互补充、相得益彰的作用，更能切合实际工业应用。 百叶窗翅片型式早在5 0 年代就已经出现，但人们仅仅在过去的二十年中才 开始通过各种手段去了解和掌握百叶窗翅片的流动现象和流动特性。k a y 和 l o n d o n 是第一个测试百叶窗翅片的传热和压降数据的然而，在l o n d o n 的报 告中测试的几何体未能反映当前的工业设计思想，因此得到的数据在当时没有 什么使用价值。直到九十年代，大家所公认的是d a v e n p o r t ，a c h a i c h i a 和c o w e l l 测试的传热和压降数据。d a v e n p o r t 测试的是单排式的间断型百叶窗翅片换热 器。a c h a i c h i a 和c o w e l l 测试了单排和二排的平直翅片百叶窗几何体后来， w c b b 等对百叶窗翅片又进行了流动的可视化试验 虽然试验数据在换热器的设计过程中起着很大的作用，研究者开始使用分 析和数值技术去预测百叶窗表面的特性只要模型是正确的，这些方法有助于 深入理解百叶窗翅片换热强化的机理然而，数值方法的结果可能是错误的， 因为这是建立在假设的基础上的。例如，如果假设流动是沿着轴向方向的层流 流动或者对流动形态的不恰当的简化，都可能导致错误的结果 下面列举了一些国内外学者的实验研究过程及成果，其中以d a v e n p o r t 、 w e b b 、w a n g 的研究成果最为丰富，测试的样本范围最为广泛，提供的关于传 热系数及空气侧压降的数据最为全面。 浙江大学硕士学位论文l 绪论 b e a u v a i s 帕1 是首次对百叶窗翅片列进行可视化研究的学者。在他1 9 6 5 年的 研究，在1 0 ：1 的模型中采用了烟气流动可视化技术由于在这篇论文中没有准 确的几何参数和速度，因此他的结论可以说只是定性的。从文献中的图片上可 以看出，百叶窗的角度在3 0 度左右，百叶窗间距和翅片间距的比值在0 8 左右。 从他所测试的数据中发现，在他所测试的速度范围内，流动几乎是平行于百叶 窗翅片的。而在这以前的研究中，学者们一直都认为百叶窗翅片是通过强化紊 流来达到增强换热的目的 1 9 7 3 年，w o n g 和s m i t h h 7 1 在一个5 ：l 的典型的百叶窗翅片列模型中测试 了它的传热和压降，模型的空气流动和实际的百叶窗翅片列是相似的。 1 9 8 0 年，d a v e n p o r t 汹1 做了一个和b e a u v a i s 一样的流动可视化实验，并得 出结论，百叶窗翅片的流动效率是雷诺数的函数。在较低的雷诺数情况下，百 叶窗对流动的影响较小因此，主要的流体并没有穿过百叶窗，而是沿着轴向 方向流动而在较高的雷诺数情况下，流动几乎是平行于百叶窗的d a v e n p o r t 是这样来解释的，在较低的空气速度下，百叶窗上的边界层变厚，足以堵塞百 叶窗间的通道，从而使得流体主要从轴向方向流过。 a c h a i c h i a 和c o w e l l m l 也对穿过百叶窗翅片列的流动进行了可视化研究 他们认为，当雷诺数较大时，平均的流动角度接近于百叶窗的角度，相差也就 在几度以内 后来，h o w a r d 1 采用有色喷射技术在一个1 0 ：1 的百叶窗翅片列模型中做 了流动可视化实验他观察到在雷诺数( 基于翅片厚度) 接近3 0 的情况下，流动 变得不稳定，速度越大，流动的不稳定性越强。他把这种流动定义为有效和无 效流动来加以区别如果流动是平行于百叶窗翅片的，流动即是有效的；如果 流动是轴向方向，即为无效流动这个定义是建立在有效流动具有较高的换热 系数而无效流动的换热系数较小的基础上的同时，h o w a r d 还观察到在有效流 动和无效流动之间存在一个过渡区域，就像层流和紊流之间有个过渡区域一样， 在他的文献中指出，对于百叶窗翅片角度为2 0 0 的情况，在百叶窗间距和翅片 间距的比值为0 7 0 8 时会出现过渡区域。k a j i n o 和h i r a m a t s u h 引采用有色注 射技术和氢气鼓泡技术对百叶窗翅片列进行了可视化研究 浙江大学硕士学位论文l 绪论 w e b b 儿聃1 采用有色注射技术在1 0 ：1 的模型中进行了可视化实验，并观察 了百叶窗的几何参数，包括翅片间距、百叶窗角度，百叶窗间距等对流动的影 响测试了雷诺数( 基于百叶窗间距) 在4 0 0 4 0 0 0 范围内的情况首次推出了 流动效率的经验公式，并在后面的研究中，总结出了包括流动阻力和传热系数 等更全面的经验公式，这在后面再详细讲解 1 4 2 1 基于实验研究的传热、阻力关联式 虽然现在计算机数值模拟技术已经发展到了相当的程度，但是实验研究仍 然是不可缺少的重要手段，实验数据的积累是进行数值模拟的重要基础。进行 数值模拟的各种假设都是建立在已有知识和推断上的，如果假设与实际情况不 符，将导致错误的数值模拟结果 对百叶窗式翅片的实验研究包括对各种百叶窗翅片散热器的传热性能和流 动特性的整体检测以及对其流动的可视化研究国内外的学者通过对其整体传 热和流动性能的检测，积累了大量的试验数据，推出了相应的经验公式，对百 叶窗翅片式换热器在工程中的应用和推广起到了极大的作用而对其内部流动 形态( 主要是气侧) 的分析更有助于了解其传热强化的机理和特性 董军启、陈江平等人在风洞试验台上对2 0 种不同结构参数的扁管百叶窗翅 片进行了传热和流动阻力性能试验，分析比较了翅片间距和翅片高度对其表面 对流换热系数和空气阻力性能的影响。同时通过对2 0 种不同结构参数百叶窗翅 片的3 3 6 个试验数据点进行多元回归和f 显著性检验，获得了因子和厂因子 的经验关联式关联式为： 姒 e 一0 一厶 掰 越 r_、匀射他h m 舵 枷厂 e 芝 p 飚 厶一0 7 “ u r ! ，观h 污 浙江大学硕士学位论文1 绪论 厂= - o 三：6 r e ：二( 彖) 0 4 4 4 ( 乏厂删( 每厂 6 ， 甜删博翮 一 w a n g 和l e e l 4 4 1 等对多种百叶窗翅片进行了试验研究，总结出下列关联 j = o 9 0 4 7 r e 盘( ( 犷( 扩0 3 0 5 8 2 2 a n d r e o 。 2 a n dr e 肪 7 0 0 ( 1 7 ) = 1 2 r e 2 ( 去) 弘( 鲁) 门( 妾) 5 邑和 酌 1 4 3 数值模拟及相关成果 随着计算流体力学与计算传热学的发展，散热器的数值模拟研究近年来成 为研究的热点对百叶窗式翅片的数值模拟计算，以往都是应用计算机编程计 算。随着c f d ( 计算流体动力学) 技术的出现和发展，更多的都是采用运用c f d 技术进行数值模拟计算。 相对于国外，国内对百叶窗翅片式换热器空气侧的数值模拟研究较少，目 前国内生产的百叶窗翅片式换热器大都是采用国外的技术生产制造的国外在 百叶窗翅片式散热器的空气侧的数值模拟研究方面做了大量的工作，取得了很 大进展。 s h e n g 和s u n n 旧1 等对翅片管换热器的- - 5 , 便1 的流动和传热性能( 管道分别 为圆管结构和椭圆管结构的情况) 进行了三维的数值模拟。其物理模型中，百叶 窗翅片的几何结构尺寸，百叶窗间距为定值，管道为圆管时气侧的换热性能相 对于管道为椭圆管而言，降低1 0 ，但是压降降低了4 1 对于平直翅片的换 1 4 浙江大学硕士学位论文l 绪论 热计算，迎面风速低于2 m s 时，管道为椭圆管时的换热性能略优于为圆管时。 然而，当风速达到2 m s 时则相反当管道为椭圆管时，平直翅片翅的压降相比 为圆管时降低了约一倍 c l y m a n m l 等采用商业软件包f l u e n t 对一排含有7 片导向百叶窗的翅片进行 了二维的数值模拟和研究采用二阶差分格式求解了动量方程和能量方程。在 模型上下边界采用了周期性边界条件，进口提供了一个空气进i = l 速度，出口采 用了自然流动出口这里采用了三角形网格来划分模型，网格数目在5 0 5 0 0 0 左右，计算次数在1 1 0 0 此左右达到收敛。 台湾能资所的刘敏生m 1 采用c f d 软件s t a r c d 对百叶窗翅片管式换热器 进行了三维的数值模拟，仿真误差约为2 0 其后，他们又进行了连续交化百 叶窗角度对翅片管式换热器性能影响的数值仿真。这两篇论文针对的都是翅片 管换热器，其管排上装设有百叶窗型翅片以增加热传面积，考虑了变化百叶窗 角度的设计，探讨了不同攻角对热传与压降性能的影响，以达到提高热交换器 效率，进而提升空调机整体系统性能 s u g a 啪1 等为了得到最优的百叶窗翅片几何参数的最优组合，采用二维的有 限差分法对百叶窗翅片进行了数值研究。划分网格的过程中，采用了多重网格 法，在划分网格的方法上得到了发展。数值结果表明：对每一个百叶窗角度存在 一个最优的百叶窗间距和翅片间距的比值从数值结果中去理解分析了翅片几 何结构和换热特性的关系 y u a n ，j a c k s o n m l 等采用c f d 软件建立了三维的数值模型，求解了三维的 能量方程、连续性方程和动量方程，分别研究了百叶窗角度、百叶窗间距、翅 片间距、翅片长度、扁管宽度等对紧凑式换热器传热和流动性能的影响另外 还建立了二维的稳态模型，分析了在上游百叶窗存在的传热边界层对百叶窗换 热性能的影响。发现，传热边界层增大了传热热阻，对传热无利计算分析了 影响因子在设计过程中应减少热边界层对百叶窗传热的阻碍作用 i t o h ，s h i g e n o b u ，k u r o d a 和m a s a t o 盯2 1 等对百叶窗翅片式换热器的速度场 和温度场进行了二维的数值模拟在模拟计算的过程中，考虑了空气的物性参 数随时间的变化关系并且为了观察其流场的流动状况，对百叶窗翅片列进行 浙江大学硕士学位论文1 绪论 了同规格的可视化试验结果显示，在数值模拟和可视化试验间得到了较好的 吻合性从其数值计算结果中发现，进行数值模拟时，考虑物性参数随温度变 化和不考虑物性参数变化的情况相比，平均努塞尔数有一定的出入 z h a n g 和t a f t i 3 1 在进行翅片厚度- 9 翅片间距比值对百叶窗翅片列内流体的 流动和传热性能的数值模拟中，对三种不同的翅片厚度与翅片间距比值，两个 不同的百叶窗角度，翅片间距和百叶窗间距的比值为定值，雷诺数从5 0 到1 2 0 0 的情况进行了研究结果发现，翅片厚度与翅片间距的比值对流动效率有着显 著的影响，特别是在百叶窗几何体具有较小的百叶窗角度的时候。 当百叶窗翅片具有较小的百叶窗角度时，增大翅片厚度与翅片问距的比值 从0 0 5 到0 1 5 ，流动效率降低了达3 5 4 0 同时，增大翅片厚度比值，也增 大了压降，而另一方面，传热系数，受翅片厚度比值的影响并不明显。随着翅 片厚度比值的增大，百叶窗间的空气流速增大，雷诺数增大因此，在较低的 雷诺数时，出现了传热的减弱然而当雷诺数增大到3 0 0 时，随着翅片厚度比 值的增大，没有传热减弱的现象出现。总之，较大的翅片厚度比值导致了较低 的f 值。 p e r r o t i n 和c i o d i c n 钔采用c f d 软件对汽车空调中的冷凝器空气侧的空气流 动进行了数值模拟并且将计算结果与试验结果进行了比较，采用数值模拟方 法，可以更好地理解紧凑式换热器空气侧空气的的流动现象和流动特性。建立 了二维的数学物理模型，对不同迎面风速的情况下进行了研究，但是所计算得 到的换热系数与试验数据相比，换热系数误差在+ 8 0 左右，明显过大。当不 考虑扁管的效应，采用三维模型进行数值模拟，仅考虑通过百叶窗翅片的对流 和导热，百叶窗翅片设为定壁温，计算结果与试验结果吻合地相对较好，计算 结果与试验数据误差在2 5 以内另外，建立了二维的非稳态模型，对其流动 形态和传热特性进行了分析研究他们采用有限容积法对微分方程进行离散化， 在网格划分上，采用了分块划分的方法对压力区域的计算，稳态时所采用的 是s i m p l e 算法。 周益明旧等人对空气在百叶窗翅片内部流动和传热建立了三维数值计算模 型。计算结果- 7 文献所提供的实验数据进行了对比，在整个计算范围内，r e = o 1 6 浙江大学硕士学位论文 l 绪论 1 5 0 0 ，和的平均偏差分别为1 9 6 和1 0 5 。在深入揭示百叶窗翅片流动机 理的基础上，进一步比较了百叶窗翅片开窗角度口和换向区长度s 对其传热和 流动阻力的影响，分析结果为百叶窗翅片的模具制作及其优化设计提供了依据 他们认为，二维的模型，不管是稳态还是非稳态的，都可在较少的计算机 资源的情况下，得到较全的局部信息，并有利于理解百叶窗翅片强化换热的机 理可更好地了解在百叶窗翅片列中的三个主要的物理现象：流体的流动形态， 是轴向流动还是百叶窗方向的流动；上游百叶窗热边界层的影响；在较高雷诺 数时发生的流动非稳定性，在雷诺数较高的情况下，需要考虑其流动的发展和 边界层的生成过程的影响而三维的模型，如果采用更准确的翅化效率和更小 尺寸的网格划分，计算误差会更小但是这要求更多的计算机资源 1 4 3 1 基于数值模拟的传热和阻力特性分析 计算机的高速发展，给数值模拟技术创造了研究条件 s u g a 和a o k i 旧1 采用有限差分法对百叶窗翅片进行了二维的数值研究，对 百叶窗角度一定时翅片间距- 9 百叶窗间距比值尼厶进行了优化，结果表明， b 仡尸= 1 5 t a n 0 时，换热性能和流动阻力可以得到较好的平衡，同时他们还根据 数值结果分析翅片结构与换热性能的关系为了研究百叶窗角度百叶窗间距， 翅片间距、翅片长度和扁管宽度等参数对紧凑式换热器传热和流动性能的影响， 他们对百叶窗翅片进行了三维的数值模拟，然后他们用二维模型分析了上游百 叶窗存在的热尾流对换热器性能的影响，发现热尾流增大了热阻，对传热不利， 在设计换热器时要考虑尽量减少热尾流对换热的影响 i t o h 和k u r o d a m l 等百叶窗式换热器的速度和温度场进行了二维的