277 多结构百叶窗翅片的数值模拟和性能分析.doc

多结构百叶窗翅片的数值模拟和性能分析华中科技大学 舒朝晖 王福宝 陈焕新 谢军龙 路阳 马荣峰摘 要：运用Fluent软件对建立的6种多结构百叶窗翅片的风场进行数值模拟。通过其传热和流动性能的比较，得出最好的区域划分方法。研究结果显示，在迎面风速为2.5m/s的情况下，区域划分数为6的百叶窗翅片的传热性能最好。较普通翅片，其换热系数提高9.5%，而且流阻略有下降。这种趋势随着迎面风速的增加会有所提高。当迎面风速为6m/s时，其换热系数提高17.7%，而流阻略有上升。关键词：多结构 区域 百叶窗翅片 数值模拟1. 前言带有百叶窗翅片的平行流换热器已广泛用于汽车空调中，因其优点众多1，所以逐渐受到家用空调厂商的重视。根据目前的研究显示，在任意类型的空冷式换热器中，空气侧对流热阻超过整个换热系统热阻的75%24。因此，很多提高换热的技术都集中在空气侧表面。本文运用Fluent软件进行仿真，对多结构百叶窗翅片进行研究，从而更深入了解其强化传热和流动机理，进而分析出更为有效的分结构的方法。多结构百叶窗翅片是有钟昌雄5等人提出。它是运用翅片表面有或无规则的排列，破坏翅片表面流体的边界层，获得更高的换热系数。传统百叶窗翅片开窗为对开窗，开窗区域数为2。多结构的百叶窗，通过其分布的不规则性，可以达到流体通过性好，流场在翅片表面分布更均匀，因而温度场和压力场更加均匀。本文所设计的多区域百叶窗翅片与钟昌雄等人提出的有本质的不同。钟昌雄提出的是基于同一尺寸的百叶窗进行分布，而本文是基于翅片结构百叶窗所占面积最大化而设计，百叶窗尺寸有所变化。2. 计算模型2.1 多结构开窗翅片结构及几何参数本文共建立了6个模型进行分析，表1是6个模型的共有结构参数。所有模型的翅片长度Fd 和翅片高度Tp相等，旨在保证各模型空气侧的换热面积相等，从而方便比较他们换热系数的好坏。各模型具体尺寸如图1至图6所示。其中图2为普通翅片模型，其开窗区域数为2，因此把他称为2号翅片。表1 模型共有结构参数参数名称百叶窗间距Lp百叶窗角度翅片间距Fp翅片厚度翅片长度Fd扁管厚度Td进口区长度S1转向区长度S2翅片高度Tp参数尺寸2.0mm271.4mm0.1mm24mm0.3mm1.0mm2.0mm8.15mm 图1开窗区域为1的翅片（1号翅片） 图2开窗区域为2翅片（2号翅片）图3开窗区域为3的翅片（3号翅片） 图4开窗区域为4翅片（4号翅片） 图5开窗区域为5的翅片（5号翅片） 图6开窗区域为6翅片（6号翅片）2.2 计算模型的简化本文对所有模型进行研究时都做了如下假设：（1）空气为不可压缩气体；（2）不考虑因加工等因素所造成的变形和毛刺的影响，假定流道流动均匀；（3）忽略重力对传热和压降的影响；（4）空气的热容量远小于壁面的热容量，因而忽略空气的热容量。2.3 控制方程及边界条件Perrotin T, Clodic, D 6用CFD软件对百叶窗翅片流动和换热与以百叶窗间距为特征尺寸计算的雷诺数的关系得出，当40 ReLp 1200时，认为百叶窗翅片内的流动和换热为层流是合理的。本文研究都在层流范围内，因此数据模拟采用三维稳态层流模型。控制方程如下：(1) 连续性方程： （1）式中为流体的密度，单位为kg/m3；为流体速度沿方向的分量，单位为m/s；(2) 动量方程： （2）式中是净压力,单位为N； 是粘滞系数,单位为Ns/m2；(3) 能量方程： （3）式中是空气等压比热，单位为J/kgk；是导热系数，单位为W/m；本文为了简化计算，在上述假设条件的基础上，只取扁管间一个翅片单元作为对流换热的研究对象。具体的边界条件做了如下设定：（1）空气入口设为均匀速度入口，迎面风速为，温度为308K；（2）空气出口设为压力出口，出口面直接和大气相连；（3）上下平面设为周期性边界条件，及上下界面的速度、温度、压力都相等；（4）多孔扁管表面为无滑移边界条件，制冷剂侧扁管壁面为第一类边界条件，即温度为358K；（5）扁管和翅片的接触面为耦合计算壁面，计算时采用自身导热和壁面的对流换热进行耦合计算；（6）其他为定义的壁面都默认为绝热壁面。2.4 数据处理本文主要考查多结构百叶窗翅片用于平行流冷凝器时的热力性能，即冷凝器空气侧的传热和流动性能。为了准确的对6种模型进行比较，计算空气侧换热系数时引入了面积效率和翅片效率7。压降是比较时的另一个重要参数，该值由Fluent直接得出。 , （4） , （5） ， （6） （7）上式中是空气侧总换热系数，单位为W/mk；是空气的质量流量，单位为kg/s；是对数平均温差，单位为k；是空气侧出口的平均温度，单位为k；是空气侧入口的平均温度，单位为k；是空气侧总换热面积，单位为m2；是空气侧百叶窗换热面积，单位为m2；是面积效率；是翅片效率；是空气侧压降，单位为Pa；是空气侧入口压降，单位为Pa；是空气侧出口压降，单位为Pa。3. 计算结果对比分析根据平行流冷凝器应用于家用空调系统中的经验，本文选取家用空调设计标准，迎面风速为2.5m/s进行比较。结果如图712所示。3.1 多结构翅片流阻的比较 图7 迎面风速v=2.5时偏管面上的压力云图 图8 迎面迎面风速v=2.5时模型压降比较图图8为6种模型在迎面风速为2.5m/s时的压降柱状图。如图所示，2号、4号、6号模型的翅片压降明显低于其它翅片。这也可以从图7的压力云图得出，图7是所有模型距离扁管面的距离为1.0917mm处面的压力云图，因为该面都和百叶窗正交，从而有利于分析流场的分布。因本文设定的出口相对压力为0Pa，所以从图7风速入口端可见2号、4号、6号模型的压力云图的颜色浅于其他翅片，即静压值较小。导致这一现象的原因是由于这三种模型的百叶窗规则排列，而1号、3号、5号不规则排列。此外，由于4号和6号模型百叶窗中间有流体直流通道，且4号的直流通道最大，所以其模型的压降最小，较普通翅片压降减少1%。3.2 多结构翅片换热性能的比较图10为6种模型在迎面风速为2.5m/s时的换热系数柱状图。如图所示6号模型的换热系数最高，较2号翅片，其换热系数提高9.5%。这是由于百叶窗分布的间隔排列以及流场经过多次转向，从而使得流场在翅片表面分布更为均匀。这种更为均匀的流场增加了破坏翅片表面边界层的能力，从而获得更高的换热系数。基于同样的原因，4号翅片的换热系数也较高，相比普通翅片提高了8.2%。它比2号翅片略低，这是由于4号翅片的直流通道宽于6号翅片，这样虽然可以降低流阻，减小压降，但有少部分的流体没有经过百叶窗直接从直流通道中流过，从而减低了换热效果。3号和5号翅片的换热系数也高于2号翅片，这也是因为百叶窗的不规则排列有利于流场分布均匀所致，然而由于这种排列方式，导致了较大的压力损失，在入口风速相等的情况下，流场在翅片后部的换热效果将明显减低。1号翅片没有发生转向，这种模型随着流体的向前推移，边界层会逐渐增厚，不利于换热。图9为温度云图，图中入口端温度相等，出口端则6号翅片的平均温度最低，这也验证了图10的结果。 图9迎面风速v=2.5时偏管面上的温度云图 图10 迎面风速v=2.5时模型换热系数比较 3.3 风速对多结构翅片性能影响的比较图11 压降随迎面风速变化曲线图 图12 压降随迎面风速变化曲线图风速对换热器的换热性能而言，是一个决定性的因素。当风速较小时，空气流量小，因而换热器的出口温度较高，换热系数必然较低。图11的曲线总体趋势就说明了这一点。此外，从图11还可以得出，当迎面风速为1.5m/s时6种模型的换热系数相差不大；迎面风速小于1.5m/s时，2号翅片的换热效果最好，6号最差。当迎面风速为1m/s时，相比2号翅片减低了1.7%。这是因为风速较小，6号翅片的流体有一部分从直流通道中流过，从而影响了换热效果；当迎面风速大于1.5m/s时，6号、5号、4号、3号模型换热系数的增长趋势大于2号和1号的。这是因为百叶窗分布的间隔排列以及流场经过多次转向，得到了更均匀的流场分布所致。图12显示了压降随迎面风速变化的影响。从图中可见6种模型的压降相差不大，都随着风速的增加，压降成增加趋势。当迎面风速等于6m/s时，5号翅片压损最大，6号最小。相比2号翅片，5号翅片压降增大7%，这是由于百叶窗的分布不规则导致的。4. 结论（1）百叶窗翅片的多结构化设计对翅片的换热效果的影响很大,且传热性能随着区域划分数的增加而增加。但这种增加趋势是在减少的。在本文研究的6种翅片模型中，当迎面风速为2.5m/s时，6号翅片的换热效果最好，1号模型的换热效果最差。（2）百叶窗不规则排列比规则排列的百叶窗翅片的压损相对较大，但总体而言多结构百叶窗翅片对空气流动阻力的影响不大。（3）迎面风速对多结构百叶窗翅片的换热性能的影响较大。翅片的换热系数基本上随着迎面风速的增加成线性增加趋势。而且6种模型的换热系数，随着风速的增加，它们之间的差值也越大。空气流动阻力随着风速的增加也线性增加。当风速增大时，6种模型的压降差值也有所增加，但相比换热系数，其增加值要小很多。参考文献1 Lee GH, Yoo JY. Performance analysis and simulation of automobile air conditioning system J. International Journal of Refrigeration, 2000, 23(3):243-254.2 M.-H.Kim, Youn, B. Bullard, C.W. Effect of inclination on the air-side performance of a brazed aluminum heat exchanger under dry and wet conditions J.International Journal of Heat and Mass Transfer, 2001,9,44(24)：4613-4623. 3 董军启，陈江平，袁庆丰，陈芝久. 百叶窗翅片的传热和热阻性能分析J. 动力工程，2006,12：871-903.4 Dong.Junqi,Chen. Jiangping, Chen. Zhijiu.Heat transfer and pressure drop correlations for the multi-louvered fin compact heat exchangersJ.Energy Conversion and Management, 2007,5,48(5): 1506-1515. 5 钟昌雄，李蔚，张文华. 多区域开窗翅片的热力性能试验研究J. 机电工程，2008,7：11-14.6 Perrotin T, Clodic,D. Thermal-hydraulic CFD study in louvered fin-and-flat-tube heat exchangersJ.Inter