百叶窗翅片式散热器内对流-导热耦合传热的数值模拟

摘 要随着汽车工业的发展，百叶窗翅片式散热器以其极大的紧凑性、良好的换热 性能，在汽车冷却系统中得到了越来越广泛的应用。虽然百叶窗翅片在50年代就 已经存在，但是仅仅在过去的二十年中，人们才开始通过各种手段去了解百叶窗 翅片的流动现象和流动特性。由于百叶窗结构复杂，其内部流场的复杂性，这使得实验研究受到许多限制。 而采用CFD软件对其温度场和流场的数值模拟分析，可以清楚的了解百叶窗翅片 内部流场的压力、温度、速度等气动热力参数的分布和变化情况，优化其几何结 构参数，从而大大降低实验设计费用，缩短设计周期。国外有学者对百叶窗翅片内的流场和温度场进行了数值模拟，事实上，在百 叶窗翅片上的传热过程中，翅片的导热和空气的对流换热是相互耦合的，而这在 以前的研究中忽略了。本文对百叶窗翅片进行了三维的数值模拟，在计算区域的 网格划分上采用了结构化网格和非结构化网格相结合的办法。本文研究了不同的翅片间距、百叶窗间距、百叶窗间距与翅片间距比值、百 叶窗角度对百叶窗翅片传热和流动性能的影响。研究结果表明：a. 采用CFD软件对百叶窗翅片进行数值模拟是可行的；b. 在其它结构参数相同的情况下，较小的翅片间距可以获得较好的换热性能;c. 在其它结构参数相同的情况下，较小的百叶窗间距可以获得较好的换热性 能，同时，流动阻力会增大；d. 分析百叶窗间距和翅片间距的比值对气侧传热和流动性能的影响，当百叶 窗角度为27，Lp/Fp=.25时，具有较好的综合性能；e. 分别分析讨论了变化百叶窗角度和均匀百叶窗角度对百叶窗翅片传热和流 动性能的影响。本文对百叶窗翅片的流动和温度场进行了比较全面的数值模拟，分析了各种 几何结构参数的影响，具有一定的学术意义和工程应用价值，为汽车冷却系统的 优化设计提供了依据。关键词：百叶窗，层流，三维，耦合，数值模拟ABSTRACTThe louvered fin radiator was widely used in the cooling system of automobile due to its high compactness, low weight and low cost. Although the louvered fin geometry of heat exchanger had been proposed in 1950s, the flow and heat transfer characteristics of the louvered fin radiator werent be analyzed and understood until 1970s.Because of the complexity of the geometrical structure and flow structure, the experiment researches on the louvered fin radiator were very difficult. By employing the numerical simulation, the distribution and variation of thermal parameters such as pressure, velocity and so on in the louvered fins can be conducted in detail, on the basis of which, we can optimize the geometry structure, shorten the design period and reduce the experimental and design cost.In previous researches, the numerical simulations were mainly focused on the convective heat transfer in the fluid zone of the louvered fin geometry. Virtually, the heat conduction in the fins and the convective heat transfer of air are coupled each other. In this paper, the numerical method was used to investigate the 3-D coupled heat conduction-convective heat transfer, the structured unstructured meshes were applied to discretize the computational zone. The effect of fin pitch, louver pitch, louver angle and etc. on the heat transfer and flow performance were studied.The computed results showed that:a. It is feasible for CFD software to be used to simulate the coupled heat transfer in the louvered fingeometry.b. A little fin pitch can result in better heat transfer performance under the same other structure parameters.c. A little louver pitch can result in better heat transfer performance under the same other structure parameters.d. When the ratio oflouver pitch to fin pitch is Lp/Fp=1.25, the integral performance of the louvered fin radiator is favourable.In this paper, the complex flow and coupled heat transfer in the louvered fin radiator were numerically simulated, and the effect of each geometry structure parameter was systematically analyzed. The studied results provide scientific basis forthe design and optimization of the louvered fin radiator, which have an important engineering value in a certain extent, it is useful to optimize the automobile cooling system.Keywords: louver, laminar, 3-D, coupled, numerical simulationIII主要符号说明英文字母：a热扩散率m2/sA表面积m2Fp翅片间距mmFP *相邻百叶窗间的流道宽度mmFh翅片高度mmFt翅片厚度mmLl百叶窗长度mmLp 百叶窗间距mmLp/Fp百叶窗间距和翅片 间距比值 Fd翅片流动方向长度mmTp扁管间距mmTd 扁管长mm希腊字：v运动粘度m2/s动力粘度Pa se百叶窗角度。上下标：a空气* 临界参数，滞止参数准则数：Pr普朗特数Nu努谢尔数q热流密度W/m2K导热系数W/m2-KCp比热J/(kgK)m质量kgP压力PaA P压降N/m2T温度KR气体常数KJ/(Kg K)U速度(i=l,2,3)m/sV体积m3Ufr迎面风速m/sh对流换热系数W/(m2 k)x;笛卡尔坐标(i=1,2,3),mk 0气侧的综合性能系数p密度kg/m3n翅化效率w水Re雷诺数St斯坦顿数1绪论换热器是一种进行热交换的工艺设备，广泛应用于化工、动力、冶金、制冷、 建筑、电子、航空等工业部门。随着科学技术的飞速发展，要求换热设备紧凑、 高效并小型化，这就促使人们去研究高效换热器。特别是在航空、汽车行业中， 对换热器的体积，重量等方面要求更高。百叶窗翅片式换热器以其优良的传热性 能，较高的紧凑性指标，在目前的汽车行业应用最为广泛，并具有良好的前景。1.1汽车冷却系统散热器概述水散热器19是汽车冷却系中最重要的一个部件，其功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。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。而目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0.060.12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，由水管和翅片逐层迭放，然后整体焊接而成。管带式 散热器的优缺点与管带式散热器相反。管带式散热器从60年代开始大量生产，至 今已经得到广泛的应用，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五十年代就已经存在，在近二十年中更是得到了 快速的发展和日益广泛的应用。从材料、结构，到设计和生产等方面都有了长足 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一些。以前用的材料一般是以铜合金为主，而现在一般用铝作为主要材料，既降低了制 造成本，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。重庆地区的超力高科技公司也 生产铝散热器，但规模不大，主要为长安集团提供汽车散热器配件等。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最重要的组成部分之一，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。1.2 百叶窗翅片式换热器的结构和性能特点百叶窗翅片式换热器【4】【9】的类型很多，根据流道的形状及布置方式，常见的 有以下几种。图1.1中的五种类型的散热器，其管侧都是扁管，气侧有三角形或矩 形的流道，c型是管翅式，b型和d型带有隔板。本课题所要研究的是d型，最常 见的百叶窗翅片式散热器。(a)管带式(三角形流道）Type (a) Corrugated louver with triangular channel(b)带有隔板的管带式(矩形流道）Type (b) Corrugated louver with splitter plate-rectangula channel(c)管翅式 Type (c) Plate-and-tube louver fin geometry(d)带有隔板的管带式(三角形流道） Type (d) Corrugated louver with splitter plate-triangular channel(e)管带式(矩形流道）Type (e) corrugated louver with rectangular channel图1.1常见的百叶窗翅片式换热器示意图 Figure1.1 the schematic plan of louver fins exchanger百叶窗式换热器单位体积的传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2000m2/m3以上。百叶窗式换热器的特点概括如 下：1、传热效率高在流体穿过百叶窗的过程中，百叶窗上的边界层不断被破坏，又重新生成，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300W/(M2.GC)2、轻巧牢固由于翅片很薄，通常为0.10.2MM，而结构很紧凑，一般用铝合金制造，因 此重量很轻，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，采用铝合金作为材料，成本低，特别在成批量的生 产的时候，成本是大为降低。当然百叶窗式换热器也有其自身的缺点。百叶窗式换热器因流道狭小容易引 起堵塞而增大流动阻力，对于换热器的结垢，清洗十分困难。由于百叶窗式换热 器的扁管和翅片都是由铝制成的，水侧存在一定程度的腐蚀，特别是汽车冷却系 统用的水散热器，其气侧工作环境恶劣，震动，腐蚀都相当严重。气侧或水侧如 果结垢严重，都将严重影响换热性能，水侧若由于腐蚀产生泄漏，则很难修补。百叶窗翅片式换热器虽然存在一些缺点，但其突出的优点使它得到越来越广 泛的应用。1.3 百叶窗翅片式换热器的性能评价方法对于百叶窗翅片式换热器，其主要热阻在气侧，约占了其总热阻的85%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，在不同的情况下采用的评价方式 也不尽相同的。1、传热因子和摩擦因子比较法这个方法是由W.M.凯斯和A.L.伦敦1提出的，使用了传热因子j、摩擦因子f、 斯坦顿数St和雷诺数Re等无量纲之间的函数关系式来表示传热表面的传热特性和 阻力特性。由j，f的定义式可以得到NTU .q2m P；j / f2pAp式中NTU-传热单元数，qm为质量流量(kg/s),Ac为换热器一侧的最小流通截面积 (m2), Ap为压降(Pa), Pr为普朗特数。由上式可以看出，当方括号内的值为常数时，j/f与Ac2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NTU和压降Ap，而 且根据设计，要求质量流量为某一定值时，那么，所设计的j/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) hsdEstd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 此状态下各传热面表面传热系数hstd和单位传热面积的泵耗功率Estd ;然后，在通 道当量直径De相同的条件下，进行各传热表面的性能比较。h-E-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 传热表面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) lohSdW E-W 比较法33这个方法是KdEstd比较法的一个修正方法，”0hstdW和Est,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，位置最高的曲线即所代表的换热表面时性能最好的表面。VohstdWE.J比较法其优点在于考虑了包括二次表面在内的肋壁总效率仏。 的定义式为：仏=(1.2)式中4为一次换热面积，即壁面面积(m2)；A2为二次换热面积，即翅片的表面积(m2)；A = A + A2是换热器一侧的总换热面积(m2)；Vf翅片效率(或称肋片效率)；W为换热器的单位体积内所布置的单位体积内所布置的换热面积，称为 传热面积密度，即W = A(1.3)AfrDe式中Afr为散热器的迎风面积(m2)；Ac为散热器的流通截面积(m2)；De为散热器的当量直径(m)；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。NPNP(3) 以(N) l(jr)或() /(-f)n 来评价Nu 0 f 0Nu 0 f 0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，f要比Nu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Nu lNu。和f/f0 ；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：N B (T)/(f) >=< 10或Nu0 f0>=< 1.0(1.4)这里n可以取1/3。诺里斯32在1971年提出，n可以取为0.68#215 ；并且实验发 现，当f f0大于4以后，Nu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B来评价强化传热面的有效和合理性。B = (i)/(f)他认为，B大于1的强化传热面，才是有效和合理的。Nu0 f 0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1 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16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热 传系数与压降之比值(h/Ap)。在石油化工设备的文献“扁管管束结构优化实验研 究”中(h/Ap)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，鉴于汽车行业的特殊要求，评价散热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 散热器又是汽车冷却系统中最关键的组成部分。因此，汽车散热器必须首先满足 汽车在最恶劣工况下的散热量的要求。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10%， 则空气阻力系数降低约10%，燃油利用率提高3%。从价值工程来看。一辆汽车 多100kg质量的剩余功能，在年产量为10万辆时，将多消耗约1万顿的材料，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88183.6kw的汽车，采用管带式散热器芯 体的厚度控制在3575mm范围内，发动机功率每千瓦的散热面积为0.150 0.218m2/KW。1.4 百叶窗翅片式换热器的研究和发展现状随着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，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的发展和推 广起到了显著的作用。对百叶窗翅片式散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、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。虽然百叶窗翅片在50年代就已经出现，但是仅仅在过去的二十年中，人们才 开始通过各种手段去了解百叶窗翅片的流动现象和流动特性。KAYS和LONDON34是第一个测试百叶窗式翅片的传热和压降数据的。然而，在LONDON 的报告中测试的几何体未能反映当前的工业设计，因此得到的数据没有什么实用 价值。直到九十年代，大家所公认的，是DAVENPORT,ACHAICHIA和COWELL测试的传热和压降数据。DAVENPORT36测试的是单排式的间断型百叶窗换热器。 ACHAICHIA和COWELL35测试了单排和二排的平直翅片百叶窗几何体。后来， Webb等对百叶窗翅片又进行了流动的可视化实验。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。Beauvais32是首次对百叶窗翅片列进行可视化研究的学者。在他1965年的研 究，在10： 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30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。1973年，Wong和Smith45在一个5： 1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。1980年，Davenport36做了一个和Beauvais 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。Davenport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。Achaichia和Cowell35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，Howard32采用有色喷射技术在一个10： 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30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，Howard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20的情况，在百叶窗间距和翅片间距的比值为0.70.8时会出现过渡区域。Kajino和Hiramatsu45米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。Webb28p9采用有色注射技术在10: 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4004000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。1.4.1试验研究及传热、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。下面列举出了一些经验公式，其中以Webb27提供的关于传热系数的关联式引 用得较多，也最为全面。本论文引用了该公式，这里扼要介绍一下该公式的计算 方法和步骤。图1.2所示为为散热器芯体及空气侧翅片结构尺寸示意图。气侧换热系数的计 算考虑到各部分的差别，分为四个部分，即气侧翅片两端区域、百叶窗区域、S1 区域、S2区域(见图1.2d)。(a)散热器芯体结构 (a)The stucture of exchanger mandril(b)空气侧翅片结构 (b) The structure of fins(c)翅片横剖面结构 (c) The cross section of finAs1Al(d) The division region of fin 图1.2散热器结构尺寸示意图 Figure1.2 The structure of radiators9Lp百叶窗间距1.7mm Fp翅片间距1.2mm Fh翅片高度或扁管间距7.8mm 1=1mm &=1mm(15)(16)a图中L百叶窗长度6.4mmFd芯体厚度18mm Fth翅片厚度 0.1mm(=5 )Tw扁管宽度1.97mm 0百叶窗角度271) 计算散热器最小截面风速 Uc = V / a 最小截面与迎风面之比， a = Fh -Fp - Fth) /K散热器迎面风速，m/s。+ Tw ). FP.式中 Tw管宽，Tw=1.97mm;此处 a=0.7322)流动效率Fe的计算Fe*=0.95(Lp/Fp)023ReL * = 828(竺)034(17)(18)(19)29” * = 828(180Uc LpRe,v-6式中，v 运动粘度，按50C查取，v=17.95 X10-6 m2/s Zp百叶窗间距Lp=1.7 X 10-3m0百叶窗角度9=27Fp翅片间距Fp=1.2 X 10-3m判断 *IFReL >ReL 丫135 f 290.610*6/*V-lFe = Fe 37.17 x 10 6(ReL ReL(110)FPnElse *Fe=Fe3)气侧翅片两端区域的换热计算D = 4 Ace = 4(Fh L1 )(Fp Fth)hei 2(Fh A + Fp Fth) Ar Fh L(111)Fp Fth If Ar>1 Ar=/ArEnd由 e he = 7.541(1 2.61Ar + 4.97Ar2 5.119Ar3 + 2.702Ar4 0.548Ar5)求 heheDe = 7.541(1 2.61Ar + 4.97 Ar" 5.119 ArJ +式中空气的导热系数，按50C查取，气侧翅片两端区域的换热面积Ae的计 算 Ae=2 XFd(Fhh)+(FpFth)4) louver区域的计算 Al=2L1Lp(N1+2)式中，h百叶窗长度 &百叶窗间距 #1完整的百叶窗数目 N=8UL = Uc FeFp Fth(1.12)L c e F cos9 Frp LUbty rth换系系数h重庆大学硕士学位论文1绪论1/30.664k UL PrL _ ReLPh(113)式中：k一空气导热系数，按50C查取，k=2.83X1()-2W/mCPr普朗特数，按50C查取，Pr=0.698u运动粘度，按 50C查取，u =17.95 X1。6 m2/s UlLp雷诺数ReLPu翅片效率的计算2hFh - L 22heamTkfFthkfFth式中，kf翅片材料热导率 Fth翅片厚度kf=173=0.1X10-3mth11kf Fh11HmTtanh(me a)cos(me a) sinh(me a) + sin2 h(mea) tanh(mL Ia)m。mmJf ,l/a孖|2/V.+e2(114)式中，H=Fh=7.8mm即翅片高。 5) s1区域的计算s1=41 L1U c &Re七Lv此处 & _ 10 3 m1/30.664k U PthS 1(115)v Re &式中，k，Pr，v，均按50C空气查取。2hs1kf Fth 翅片效率11h(mea) tanh I ms 1 (H a) tanh (me a )-1 cosh(mea)sinh(mea )memims 1.2+ sinme2孖I 2/V+ea2此式中，7.8mm 即翅片高。156) s2区域的计算AS2=2s2 L1U s。c 2Rev此处 s 2 = 10 3 m1/3(117)v. Re s 20式中，k，Py，v，均按50C空气查取。2hS 2mS 2kf Fth翅片效率11 tanh(mea)-1cosh(mea)sinh(mea) Hsin2 hmea) tanhf mS2( a)mmf,S 22s、乃y 孖I 2+ea2(118)(119)(119)  (1.21)此式中，H=Fh=7.8mm即翅片高。7) 77 ho的计算V ho Ao = 7f,LhLAL H 7f,SjhS1 AS1 H 7f,S2hS2AS2 H heAe由此可求出/z。，式中，A。一空气侧相应的总传热面积 Ao=2(Fh一Fth+Fp一Fth) Li8) 总传热系数KA的计算1KA11lK A2+ R + -t hfw Vow A15k Aw式中Rw为总导热阻，Rw5=0.35x10-3一扁管壁厚， k一材料导热系数，k=173 Aw=2 N Fd h 扁管数，N=64 Fd 扁管宽，即为翅片流动方向长度(此处Fd=18mm) h一扁管长或散热器芯体高度(=6s，参见图13)，h=0.35m A1 一水侧换热总面积 A1=N AmA一单根扁管的换热面积A=U h,式中办=0.35m，U=50.5X10-3m 为湿周A2空气侧总换热面积A2=2(Fh-Fth+Fp-Fth)Fd N()(122)式中，F<d翅片流动方向长度 N 64 h=0.35m对于气侧流动阻力的计算，这里介绍由Yu-Juei Chang22等在2000年的文献中 所推出的经验公式。他们通过实验验证，有83.14%的数据点其误差在正负15%以内，平均误差约为9.21%。f = f1* f2* f3(1.23)式中：当 ReLP<150 时f1 = 14.39ReLP(議Fp 1 F1)(loge(1.0 + (FP /LP)304(124)f2 = (loge(Ft /Fp)048 + 0.9)-1435(Dh /Lp)301 (loge(0.5ReLp)301(1.25)f3 = (FP / Lj) 0 308 (Fd / L ) 0308 (e a1167Tp / D )0035(1.26)当 150<ReLP<5000 时f = 4.97 ReLP0.60491.064/e2 (loge (Ft /FP )05 + 0.9)-0丨527(1.27)f2 = (Dh / Lp )log e (0.3 Re lp )-观的 / A)观奶丨T)(1.28)f = (Tp /Dm) 00446 loge(1.2 + (Lp /Fp)1 4)-3. 5530-a 477(1.29)AP = (0 . 5 凡 pU2 + (1 Fe )(Mm Mout)/ Ac(130)式中由于流动效率都很高，进出口流量差别很小，所以第二项可以忽略不计。 1.4.2对百叶窗式翅片的数值模拟研究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CFD(计算流体动力学)技术的出现和发展，更多的都是采用运用CFD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。Liu, Min-ShengJane-Sunn37等对翅片管换热器的气侧的流动和传热性能(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10%，但是压降降低了 41%。对于平直翅片的换热 计算，迎面风速低于2m/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2m/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A.ayman18等采用商业软件包Fluent5.5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口速度，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505,000左右， 计算次数在1100此左右达到收敛。台湾能资所16采用CFD软件STARCD对百叶窗翅片管式换热器进行了三维的 数值模拟33，仿真误差约为20%。其后，他们又进行了连续变化百叶窗角度对翅 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。Suga. K.38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。Yuan, YM.; Jackson, A.41等采用CFD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热边界层对百叶窗换热性 能的影响。发现，热边界层增大了传热热阻，对传热无利。计算分析了因此在设 计过程中应减少热边界层对百叶窗传热的阻碍作用。Itoh, Shigenobu和Kuroda, Masato4Q等对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，平均努谢尔数有一定的出入。Zhang, X.; Tafti, D.K.39在进行翅片厚度与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50到1200 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间距的比值从0.05到0.15，流动效率降低了达3540%。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300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j/f值。Thomas Perrotin和Denis Clodic42采用CFD软件对汽车空调中的冷凝器气侧 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+ 80%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25%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SIMPLE 算法。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 存在的问题及今后发展的方向目前国内外学者在对百叶窗翅片式换热器进行了大量的试验研究，推出了一 系列经验公式，在数值模拟方面也取得了很大的成就，但仍存在一些问题。特别 是在国内，相关的文献很少，主要的生产都是靠全套引进国外的技术，而对其传 热和流动特性的研究很少。1. 试验研究得出的经验公式对百叶窗式换热器的推广和使用起到了极大的推 动作用，但在使用范围上都存在一定的局限性；2. 试验研究成本高，周期长，在了解其传热和流动特性上存在一定的困难，而 采用数值模拟可以在较小的成本下达到要求；3. 国内在这方面的基础研究较少，目前国内的百叶窗翅片式散热器都是引进国 外的技术来生产的，加强国内在这一方面的研究，开发出自己的产品是必要的；4. 国外的数值模拟建立了二维和三维的物理数学模型，分析研究了百叶窗翅片 的几何结构参数对换热器传热和流动性能的影响，但事实上，翅片的导热和对流 换热是耦合在一起的；5. 汽车散热器是汽车冷却系统中最重要的一部分，从冷却系统整体的换热和压 降性能来讲，