龔建英 袁秀玲 呂寶成

(1 長(zhǎng)安大學(xué)汽車(chē)學(xué)院 710064 西安；2 西安交通大學(xué)能源與動(dòng)力工程學(xué)院 710049 西安；3 西安長(zhǎng)慶華能實(shí)業(yè)有限公司 710021 西安)

V型翅片管式換熱器廣泛應(yīng)用于中大型風(fēng)冷熱泵冷熱水機(jī)組，其結(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)單，但仍然存在以下問(wèn)題：風(fēng)側(cè)換熱器體積大、支路數(shù)多；換熱器與風(fēng)機(jī)的布置方式必然造成迎面風(fēng)速分布不均，而流場(chǎng)分布的優(yōu)劣直接影響換熱性能、氣動(dòng)性能以及機(jī)組的安全穩(wěn)定運(yùn)行。

目前，對(duì)翅片管式換熱器的傳熱性能和阻力特性的研究主要是針對(duì)均勻迎面風(fēng)速進(jìn)行的[1-4]，而實(shí)際的迎面風(fēng)速是不均勻的，風(fēng)速不均勻造成了溫度場(chǎng)的不均勻，從而導(dǎo)致了換熱效率的降低。近年來(lái)，一些學(xué)者開(kāi)展了針對(duì)家用空調(diào)用風(fēng)機(jī)的研究[5-7]，但是對(duì)于風(fēng)冷熱泵冷熱水機(jī)組的風(fēng)側(cè)換熱器空氣場(chǎng)的研究幾乎沒(méi)有。與昂貴的流場(chǎng)測(cè)試相比，計(jì)算流體力學(xué)方法具有方便靈活等特點(diǎn)，僅僅需要改變初始條件、邊界條件以及幾何邊界條件，就可以獲得整個(gè)流場(chǎng)任意點(diǎn)處的詳細(xì)信息，從而大大節(jié)約了研制周期和費(fèi)用。

這里采用CFX商用數(shù)值模擬軟件對(duì)風(fēng)冷熱泵冷熱水機(jī)組風(fēng)側(cè)V型多排波紋翅片管換熱器的空氣場(chǎng)進(jìn)行三維數(shù)值模擬，實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了數(shù)值模擬的可靠性。獲得了流場(chǎng)特性，分析了V型換熱器結(jié)構(gòu)參數(shù)變化對(duì)流場(chǎng)特性的影響，為優(yōu)化系統(tǒng)性能和改進(jìn)設(shè)計(jì)提供了依據(jù)。

1 V型換熱器物理模型

CFD分析模型中的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示，主要由軸流風(fēng)機(jī)、V型波紋翅片管換熱器組成。由圖1可知風(fēng)機(jī)沿V型換熱器長(zhǎng)度方向?qū)ΨQ(chēng)布置，為了便于計(jì)算，取二分之一長(zhǎng)度方向的模型進(jìn)行計(jì)算。

圖1 模型系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig.1 The schematic diagram of the simulated heat exchanger

被模擬的系統(tǒng)為1臺(tái)名義制冷量為50kW的風(fēng)冷熱泵冷熱水機(jī)組風(fēng)側(cè)換熱器，如圖1所示，風(fēng)側(cè)換熱器有兩塊，呈V字型布置，風(fēng)機(jī)位于V字型的頂部。每塊換熱器4排共12個(gè)回路，每排32根管，迎風(fēng)面積0.8×1.3=1.04m2，銅管規(guī)格為φ9.52×0.3mm光管，波紋翅片，片厚0.12mm，翅片間距0.2mm，翅片表面未鍍親水或者憎水?？諝馔ㄟ^(guò)位于V型換熱器頂部的風(fēng)扇吸入，流過(guò)V型換熱器。

2 數(shù)學(xué)模擬

2.1 控制方程組

直角坐標(biāo)系下，三維粘性可壓雷諾時(shí)均方程組可表示如下：

質(zhì)量守恒方程：

動(dòng)量守恒方程：

能量守恒方程：

式中：ρ —流體密度；SM—?jiǎng)恿糠匠痰脑错?xiàng)；SE—能量方程的源項(xiàng)；τ —剪切應(yīng)力張量；—雷諾應(yīng)力；—雷諾通量。

瞬時(shí)速度U滿(mǎn)足：

式中： —時(shí)均速度；u —脈動(dòng)速度。

平均總焓為：

式中：k —— 湍動(dòng)能。

采用理想氣體狀態(tài)方程封閉方程組：

式中：w —?dú)怏w分子量；R0—通用氣體常數(shù)。

2.2 多孔介質(zhì)模型

目前的計(jì)算能力還無(wú)法完全求解全部翅片內(nèi)的流場(chǎng)，故換熱器區(qū)域被簡(jiǎn)化為多孔介質(zhì)。采用了CFX[8]中的通用損失模型進(jìn)行計(jì)算，該模型可以模擬通過(guò)各項(xiàng)異性多孔介質(zhì)區(qū)域的流動(dòng)。動(dòng)量方程的源項(xiàng)可以被用來(lái)模擬多孔介質(zhì)中的損失。

2.3 湍流模型和壁面處理方法

1)k-ε湍流模型

計(jì)算采用標(biāo)準(zhǔn)k-ε湍流模型考慮湍流的影響。k-ε湍流模型是用來(lái)確定湍流粘性的渦粘性模型。

2)壁面處理法

對(duì)高雷諾數(shù)湍流模型，壁面均采用改進(jìn)壁面函數(shù)法處理，它允許在壁面附近使用較密的網(wǎng)格來(lái)進(jìn)行模擬而不用再考慮雷諾數(shù)的變化。改進(jìn)壁面函數(shù)法的基本思想就是使用一個(gè)較小的值來(lái)限制所有的網(wǎng)格點(diǎn)都落在粘性底層之外，從而避免了加密網(wǎng)格而得不到更精確值的矛盾。

2.4 邊界條件

邊界條件的設(shè)置模擬實(shí)驗(yàn)條件，計(jì)算進(jìn)口給定靜壓，靜溫和速度方向，出口給定平均速度。換熱器側(cè)面、上、下端壁做固壁處理，其它位置做對(duì)稱(chēng)面處理。基于有限容積法采用CFD軟件CFX對(duì)N-S方程離散求解。

3 結(jié)果分析

3.1 模型驗(yàn)證

圖2所示為換熱器長(zhǎng)度方向不同位置實(shí)驗(yàn)值與數(shù)值模擬結(jié)果的比較。三個(gè)位置距離換熱器邊緣距離分別為20cm、40cm、60cm。從圖中可以看出實(shí)驗(yàn)值與計(jì)算結(jié)果分布趨勢(shì)一致，證明模型的可靠性。

3.2 結(jié)果分析

為了便于描述，這里用符號(hào)V和夾角值表示不同夾角V型換熱器，如V60代表夾角大小為60度的V型翅片管換熱器。

圖3比較了來(lái)流平均速度為2m/s時(shí)，V型換熱器不同夾角時(shí)，V型換熱器迎面風(fēng)速沿?fù)Q熱器高度方向的分布。

圖2 不同位置迎面風(fēng)度沿?fù)Q熱器高度方向變化的實(shí)驗(yàn)結(jié)果與計(jì)算值比較圖Fig.2 Face velocity comparison between simulation and experiment for different locations

由圖3可看出，當(dāng)V型換熱器夾角大小不變、來(lái)流平均速度變化時(shí)，V型換熱器迎面風(fēng)速分布規(guī)律基本一致，并且不存在明顯的其它流動(dòng)現(xiàn)象主要因?yàn)閂型風(fēng)冷換熱器風(fēng)機(jī)位于換熱器頂部，迎面風(fēng)速沿?fù)Q熱器高度方向形成的風(fēng)路長(zhǎng)短不同，而沿V型換熱器長(zhǎng)度方向形成的風(fēng)路長(zhǎng)短相同造成的。

由圖3還可看出，換熱器夾角不同時(shí)，迎面風(fēng)速分布沿?fù)Q熱器高度方向存在較大差異，隨夾角增大，速度峰值沿?fù)Q熱器高度方向下移。對(duì)于V30的V型換熱器，迎面風(fēng)速沿?fù)Q熱器高度方向逐漸增大，速度最大值在換熱器上部，最小值位于換熱器下部，最大值與較小值相差約4倍；對(duì)于V60的V型換熱器，換熱器迎面速度分布與V30時(shí)的變化趨勢(shì)一致，但是速度增大幅度偏小，較大值與較小值相差約2倍；當(dāng)V型換熱器為V90時(shí)，換熱器迎面風(fēng)速分布沿?fù)Q熱器高度方向基本對(duì)稱(chēng)，即迎面風(fēng)速最大值出現(xiàn)在換熱器中部，此分布趨勢(shì)與文獻(xiàn)[9]中V90的實(shí)驗(yàn)結(jié)果一致，再次證明此模型的合理性和可靠性；V120時(shí)，迎面風(fēng)速沿?fù)Q熱器高度方向逐漸減小，最大值出現(xiàn)在V型換熱器下部，最小值出現(xiàn)在上部。產(chǎn)生上述迎面風(fēng)速分布差異的主要原因是V型換熱器器不同夾角時(shí)，在相同高度處，空氣經(jīng)過(guò)換熱器形成風(fēng)路長(zhǎng)短不同，致使空氣壓力分布不同。由不同夾角時(shí)，空氣流經(jīng)V型換熱器時(shí)的壓力分布圖4就可以發(fā)現(xiàn)這樣的影響結(jié)果：由圖4所示，空氣流經(jīng)四排V型翅片管換熱器后，空氣在V型換熱器進(jìn)出口壓降最大值隨換熱器夾角值的增大沿?fù)Q熱器高度方向逐漸下移，而空氣壓力降與空氣流速直接相關(guān)，這樣就必然導(dǎo)致?lián)Q熱器迎面風(fēng)速峰值隨夾角增大沿?fù)Q熱器高度方向逐漸下移。同時(shí)由圖還可看出，夾角大小為90度時(shí)，風(fēng)速分布較均勻。

圖3 不同夾角迎面風(fēng)速分布比較Fig.3 Face velocity distribution with different intersect angle

圖4 不同夾角時(shí)空氣壓力分布圖Fig.4 Air pressure distribution with different intersect angle

當(dāng)V型換熱器夾角大小改變時(shí)，空氣流經(jīng)V型換熱器時(shí)的壓力分布圖如圖4(a)～(d)所示。圖4中(a)～(d)圖表示V型換熱器夾角大小分別是30°、60°、90°和120°時(shí)，空氣相對(duì)壓力分布圖，圖中的壓力代表空氣相對(duì)壓力值。

4 結(jié)論

采用CFD方法對(duì)V型翅片管換熱器風(fēng)速場(chǎng)特性進(jìn)行了數(shù)值研究，計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)測(cè)試值相吻合。

1) 迎面風(fēng)速沿V型換熱器高度方向分布不均勻，沿長(zhǎng)度方向分布比較均勻。V型換熱器夾角改變，換熱器迎面風(fēng)速沿?fù)Q熱器高度方向分布規(guī)律基本相同。

2)V型換熱器夾角增大時(shí)，迎面風(fēng)速峰值由V型換熱器上部逐漸下移。夾角小于90度時(shí)，速度最大值出現(xiàn)在換熱器上部；夾角大于90度時(shí)，速度最大值出現(xiàn)在換熱器下部；等于90度時(shí)，速度最大值位于換熱器中部。

3)V型換熱器夾角為90度時(shí)，V型換熱器迎面風(fēng)速分布較均勻。

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