凌睿++郭憲民++張中芳

摘要：運用CFD軟件對鋸齒形板翅式換熱器內(nèi)部流動與換熱特性進(jìn)行了數(shù)值模擬，分析了不同工況條件對換熱器性能的影響。模擬結(jié)果表明：用CFD軟件計算出的換熱器內(nèi)冷熱流體速度、溫度和壓力場變化趨勢是合理的，換熱器效率模擬值隨其冷邊空氣流量的增加而增大；空氣在熱流體域中有一定的壓力損失，而冷流體域中的壓力幾乎不變。

關(guān)鍵詞：空氣制冷循環(huán)；板翅式換熱器；換熱效率

中圖分類號：TB657.5

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：16749944（2014）06031503

1 引言

空氣循環(huán)制冷系統(tǒng)長期以來主要應(yīng)用于飛機空調(diào)系統(tǒng)。隨著空氣制冷理論的發(fā)展，以及透平膨脹機、高效緊湊式熱交換器和空氣軸承的發(fā)展，空氣循環(huán)制冷系統(tǒng)的性能有了顯著提高。在-80～-50℃溫區(qū)空氣循環(huán)制冷系統(tǒng)性能系數(shù)與復(fù)疊式壓縮制冷循環(huán)相當(dāng)。隨著CFC及HCFC類工質(zhì)的禁用，空氣制冷系統(tǒng)再次成為研究的熱點。板翅式換熱器是空氣循環(huán)制冷系統(tǒng)的關(guān)鍵部件之一，對其性能進(jìn)行深入的研究對提高空氣循環(huán)制冷系統(tǒng)的性能具有重要意義。

對鋸齒形板翅式換熱器的研究早期以Wieting[1]為代表。根據(jù)當(dāng)時已有的文獻(xiàn)為理論基礎(chǔ)，Wieting通過實驗提出了傳熱因子和摩擦因子的兩種關(guān)聯(lián)式。甘建德[2]對板翅式機油換熱器的結(jié)構(gòu)對傳熱性能的影響進(jìn)行了研究，建立了機油換熱器的數(shù)學(xué)模型，得到了機油換熱器優(yōu)化設(shè)計的結(jié)果。建立板翅式換熱器的數(shù)學(xué)模型，并對其進(jìn)行理論研究，深入地了解換熱器內(nèi)部的傳熱機理，可以更加深刻地知道板翅式換熱器內(nèi)部的流體的運動狀況。對板翅式換熱器采用數(shù)值模擬的方法可以對板翅式換熱器在各種工況下的運行情況進(jìn)行相當(dāng)可靠的預(yù)測，還能為換熱器的實驗研究提供理論性的指導(dǎo)。鋸齒形翅片是緊湊式換熱器中最常見的翅片形式之一。在流體流動的過程中，流體熱邊界層在上一翅片段還沒有得到充分的發(fā)展時就被下一錯位的翅片所破壞，從而增強了換熱。Joshi H. M.和 Webb R. L. [3]對鋸齒形翅片進(jìn)行了數(shù)值計算和實驗研究。數(shù)值計算得出的Nu和摩擦因子與實驗值有20%的誤差。Amon和Mikic[4]對鋸齒形翅片的流動和傳熱特性進(jìn)行了數(shù)值模擬，得到在某一臨界雷諾數(shù)時，流體流動出現(xiàn)波動，并且傳熱性能增大的幅度相對于壓力損失來說更明顯。Balachandar和Parker[5]采用數(shù)值模擬的方法對上游翅片的尾渦產(chǎn)生進(jìn)行了分析，對單個翅片和鋸齒形翅片組進(jìn)行了比較并發(fā)現(xiàn)，鋸齒形翅片組產(chǎn)生尾渦的臨界雷諾數(shù)相對要小。

本文運用CFD軟件，對空氣循環(huán)制冷系統(tǒng)中板翅式換熱器的換熱性能進(jìn)行了數(shù)值模擬，分析了不同工況條件對其換熱效率的影響。

2 數(shù)值模擬計算

2.1 物理模型的建立

鋸齒形板翅式換熱器模型示意圖如圖1所示，它是由換熱器冷通道和熱通道疊加釬焊而成。

換熱器在實際應(yīng)用中外面會做保溫，整個外殼是絕熱的。但在模擬過程中，為了簡化物理模型，忽略最外層絕熱的影響，把換熱器的換熱看成是周期性的換熱過程。綜合考慮換熱器的整體結(jié)構(gòu)具有周期性，考慮到流動和換熱的周期性問題，也為了提高計算速度和網(wǎng)格密度，利用SolidWorks建立的本文計算對象為圖1中虛線包圍的區(qū)域，即選取了換熱器的一個冷通道（即環(huán)境空氣側(cè)）和兩個半個熱通道（即壓縮空氣側(cè)）。截取出來的計算區(qū)域如圖1所示。本章板翅式換熱器芯體結(jié)構(gòu)示意圖如圖1 所示，其中冷邊和熱邊均為鋸齒形翅片，芯體的流動方式為交錯流式。環(huán)境空氣（冷邊空氣）從板翅式換熱器的中間通道流過，將熱量通過換熱過程（對流和導(dǎo)熱）傳給翅片及與其釬焊成一體的隔板。壓縮空氣（熱邊空氣）從板翅式換熱器上下兩個半個通道流過，通過與翅片及與其釬焊成一體的隔板換熱將熱空氣傳來的熱量帶走。

從圖4可以看到整個熱流體域計算區(qū)域內(nèi)的相對壓力變化情況：熱流體域主體換熱區(qū)域以及集氣部分的相對壓力變化不大，在熱流體域進(jìn)出口處的相對壓力有一定的變比，大概有25Pa左右的壓降。這說明空氣在熱流體域中有一定的壓力損失。與之相較，冷流體域中的壓力幾乎不變。

2.4 換熱器效率模擬值

當(dāng)換熱器熱邊進(jìn)口流量為360kg/h，改變換熱器冷邊流量對換熱器進(jìn)行了模擬，得到換熱器效率隨著換熱器冷邊空氣流量的變化曲線如圖5所示。

從圖5可以看出，隨著換熱器冷邊空氣流量的增大，換熱器效率是增大的。當(dāng)冷邊空氣流量從985kg/h增加到2780kg/時，換熱器的效率也從51%增加到78%。

3 結(jié)論

應(yīng)用CFD軟件，對鋸齒形板翅式換熱器在變工況下的換熱器內(nèi)部流動與換熱特性進(jìn)行了數(shù)值模擬，分析了不同的工況條件對換熱器性能的影響，結(jié)論如下。

（1）隨著換熱器冷邊空氣流量的增大，換熱效果增強，沿流動方向溫度值在不斷降低，且在接近翅片附近熱空氣的溫度值越低。換熱器熱流體域的溫度變化越大，換熱器熱邊出口溫度越低，換熱效率增大。

（2）空氣在熱流體域中有一定的壓力損失。與之相較，冷流體域中的壓力幾乎不變。

（3）當(dāng)換熱器熱邊進(jìn)口流量為360kg/h時，隨著冷邊空氣流量從985kg/h增加到2780kg/，換熱器的效率也從51%增加到78%。

參考文獻(xiàn)：

[1] A. R.Wieting， Empirical Correlations for Heat Transfer and Flow Friction Characteristics of Rectangular Offset-Fin Plate-Fin Heat Exchangers. Journal of Heat transfer， 1975， 97： 488～490.

[2] 甘建德.板翅式機油冷卻器結(jié)構(gòu)對傳熱性能的研究[D].武漢：武漢理工大學(xué)，2008.

[3] H. M.Joshi， R. L.Webb. Heat transfer and friction in the offset strip fin heat exchanger [J]. International Journal of heat and mass transfer， 1987， 30： 69～84.

[4] C. H .Amon， B. B.Mikic. Spectral Element simulations of Forced Convective Heat Transfer： Application to Supercritical Slotted Channel Flows [J]. ASME HTD，1989， 110：175～183.

[5] S. Balaehandar， S. J.Parker， Onset of Vortex Shedding in an Inline and Staggered Array of Rectangular Cylinders[J]. Physics of Fluids， 2002， 14（10）， PP. 3714～3732.endprint

摘要：運用CFD軟件對鋸齒形板翅式換熱器內(nèi)部流動與換熱特性進(jìn)行了數(shù)值模擬，分析了不同工況條件對換熱器性能的影響。模擬結(jié)果表明：用CFD軟件計算出的換熱器內(nèi)冷熱流體速度、溫度和壓力場變化趨勢是合理的，換熱器效率模擬值隨其冷邊空氣流量的增加而增大；空氣在熱流體域中有一定的壓力損失，而冷流體域中的壓力幾乎不變。

關(guān)鍵詞：空氣制冷循環(huán)；板翅式換熱器；換熱效率

中圖分類號：TB657.5

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：16749944（2014）06031503

1 引言

空氣循環(huán)制冷系統(tǒng)長期以來主要應(yīng)用于飛機空調(diào)系統(tǒng)。隨著空氣制冷理論的發(fā)展，以及透平膨脹機、高效緊湊式熱交換器和空氣軸承的發(fā)展，空氣循環(huán)制冷系統(tǒng)的性能有了顯著提高。在-80～-50℃溫區(qū)空氣循環(huán)制冷系統(tǒng)性能系數(shù)與復(fù)疊式壓縮制冷循環(huán)相當(dāng)。隨著CFC及HCFC類工質(zhì)的禁用，空氣制冷系統(tǒng)再次成為研究的熱點。板翅式換熱器是空氣循環(huán)制冷系統(tǒng)的關(guān)鍵部件之一，對其性能進(jìn)行深入的研究對提高空氣循環(huán)制冷系統(tǒng)的性能具有重要意義。

對鋸齒形板翅式換熱器的研究早期以Wieting[1]為代表。根據(jù)當(dāng)時已有的文獻(xiàn)為理論基礎(chǔ)，Wieting通過實驗提出了傳熱因子和摩擦因子的兩種關(guān)聯(lián)式。甘建德[2]對板翅式機油換熱器的結(jié)構(gòu)對傳熱性能的影響進(jìn)行了研究，建立了機油換熱器的數(shù)學(xué)模型，得到了機油換熱器優(yōu)化設(shè)計的結(jié)果。建立板翅式換熱器的數(shù)學(xué)模型，并對其進(jìn)行理論研究，深入地了解換熱器內(nèi)部的傳熱機理，可以更加深刻地知道板翅式換熱器內(nèi)部的流體的運動狀況。對板翅式換熱器采用數(shù)值模擬的方法可以對板翅式換熱器在各種工況下的運行情況進(jìn)行相當(dāng)可靠的預(yù)測，還能為換熱器的實驗研究提供理論性的指導(dǎo)。鋸齒形翅片是緊湊式換熱器中最常見的翅片形式之一。在流體流動的過程中，流體熱邊界層在上一翅片段還沒有得到充分的發(fā)展時就被下一錯位的翅片所破壞，從而增強了換熱。Joshi H. M.和 Webb R. L. [3]對鋸齒形翅片進(jìn)行了數(shù)值計算和實驗研究。數(shù)值計算得出的Nu和摩擦因子與實驗值有20%的誤差。Amon和Mikic[4]對鋸齒形翅片的流動和傳熱特性進(jìn)行了數(shù)值模擬，得到在某一臨界雷諾數(shù)時，流體流動出現(xiàn)波動，并且傳熱性能增大的幅度相對于壓力損失來說更明顯。Balachandar和Parker[5]采用數(shù)值模擬的方法對上游翅片的尾渦產(chǎn)生進(jìn)行了分析，對單個翅片和鋸齒形翅片組進(jìn)行了比較并發(fā)現(xiàn)，鋸齒形翅片組產(chǎn)生尾渦的臨界雷諾數(shù)相對要小。

本文運用CFD軟件，對空氣循環(huán)制冷系統(tǒng)中板翅式換熱器的換熱性能進(jìn)行了數(shù)值模擬，分析了不同工況條件對其換熱效率的影響。

2 數(shù)值模擬計算

2.1 物理模型的建立

鋸齒形板翅式換熱器模型示意圖如圖1所示，它是由換熱器冷通道和熱通道疊加釬焊而成。

換熱器在實際應(yīng)用中外面會做保溫，整個外殼是絕熱的。但在模擬過程中，為了簡化物理模型，忽略最外層絕熱的影響，把換熱器的換熱看成是周期性的換熱過程。綜合考慮換熱器的整體結(jié)構(gòu)具有周期性，考慮到流動和換熱的周期性問題，也為了提高計算速度和網(wǎng)格密度，利用SolidWorks建立的本文計算對象為圖1中虛線包圍的區(qū)域，即選取了換熱器的一個冷通道（即環(huán)境空氣側(cè)）和兩個半個熱通道（即壓縮空氣側(cè)）。截取出來的計算區(qū)域如圖1所示。本章板翅式換熱器芯體結(jié)構(gòu)示意圖如圖1 所示，其中冷邊和熱邊均為鋸齒形翅片，芯體的流動方式為交錯流式。環(huán)境空氣（冷邊空氣）從板翅式換熱器的中間通道流過，將熱量通過換熱過程（對流和導(dǎo)熱）傳給翅片及與其釬焊成一體的隔板。壓縮空氣（熱邊空氣）從板翅式換熱器上下兩個半個通道流過，通過與翅片及與其釬焊成一體的隔板換熱將熱空氣傳來的熱量帶走。

從圖4可以看到整個熱流體域計算區(qū)域內(nèi)的相對壓力變化情況：熱流體域主體換熱區(qū)域以及集氣部分的相對壓力變化不大，在熱流體域進(jìn)出口處的相對壓力有一定的變比，大概有25Pa左右的壓降。這說明空氣在熱流體域中有一定的壓力損失。與之相較，冷流體域中的壓力幾乎不變。

2.4 換熱器效率模擬值

當(dāng)換熱器熱邊進(jìn)口流量為360kg/h，改變換熱器冷邊流量對換熱器進(jìn)行了模擬，得到換熱器效率隨著換熱器冷邊空氣流量的變化曲線如圖5所示。

從圖5可以看出，隨著換熱器冷邊空氣流量的增大，換熱器效率是增大的。當(dāng)冷邊空氣流量從985kg/h增加到2780kg/時，換熱器的效率也從51%增加到78%。

3 結(jié)論

應(yīng)用CFD軟件，對鋸齒形板翅式換熱器在變工況下的換熱器內(nèi)部流動與換熱特性進(jìn)行了數(shù)值模擬，分析了不同的工況條件對換熱器性能的影響，結(jié)論如下。

（1）隨著換熱器冷邊空氣流量的增大，換熱效果增強，沿流動方向溫度值在不斷降低，且在接近翅片附近熱空氣的溫度值越低。換熱器熱流體域的溫度變化越大，換熱器熱邊出口溫度越低，換熱效率增大。

（2）空氣在熱流體域中有一定的壓力損失。與之相較，冷流體域中的壓力幾乎不變。

（3）當(dāng)換熱器熱邊進(jìn)口流量為360kg/h時，隨著冷邊空氣流量從985kg/h增加到2780kg/，換熱器的效率也從51%增加到78%。

參考文獻(xiàn)：

[1] A. R.Wieting， Empirical Correlations for Heat Transfer and Flow Friction Characteristics of Rectangular Offset-Fin Plate-Fin Heat Exchangers. Journal of Heat transfer， 1975， 97： 488～490.

[2] 甘建德.板翅式機油冷卻器結(jié)構(gòu)對傳熱性能的研究[D].武漢：武漢理工大學(xué)，2008.

[3] H. M.Joshi， R. L.Webb. Heat transfer and friction in the offset strip fin heat exchanger [J]. International Journal of heat and mass transfer， 1987， 30： 69～84.

[4] C. H .Amon， B. B.Mikic. Spectral Element simulations of Forced Convective Heat Transfer： Application to Supercritical Slotted Channel Flows [J]. ASME HTD，1989， 110：175～183.

[5] S. Balaehandar， S. J.Parker， Onset of Vortex Shedding in an Inline and Staggered Array of Rectangular Cylinders[J]. Physics of Fluids， 2002， 14（10）， PP. 3714～3732.endprint

摘要：運用CFD軟件對鋸齒形板翅式換熱器內(nèi)部流動與換熱特性進(jìn)行了數(shù)值模擬，分析了不同工況條件對換熱器性能的影響。模擬結(jié)果表明：用CFD軟件計算出的換熱器內(nèi)冷熱流體速度、溫度和壓力場變化趨勢是合理的，換熱器效率模擬值隨其冷邊空氣流量的增加而增大；空氣在熱流體域中有一定的壓力損失，而冷流體域中的壓力幾乎不變。

關(guān)鍵詞：空氣制冷循環(huán)；板翅式換熱器；換熱效率

中圖分類號：TB657.5

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：16749944（2014）06031503

1 引言

空氣循環(huán)制冷系統(tǒng)長期以來主要應(yīng)用于飛機空調(diào)系統(tǒng)。隨著空氣制冷理論的發(fā)展，以及透平膨脹機、高效緊湊式熱交換器和空氣軸承的發(fā)展，空氣循環(huán)制冷系統(tǒng)的性能有了顯著提高。在-80～-50℃溫區(qū)空氣循環(huán)制冷系統(tǒng)性能系數(shù)與復(fù)疊式壓縮制冷循環(huán)相當(dāng)。隨著CFC及HCFC類工質(zhì)的禁用，空氣制冷系統(tǒng)再次成為研究的熱點。板翅式換熱器是空氣循環(huán)制冷系統(tǒng)的關(guān)鍵部件之一，對其性能進(jìn)行深入的研究對提高空氣循環(huán)制冷系統(tǒng)的性能具有重要意義。

對鋸齒形板翅式換熱器的研究早期以Wieting[1]為代表。根據(jù)當(dāng)時已有的文獻(xiàn)為理論基礎(chǔ)，Wieting通過實驗提出了傳熱因子和摩擦因子的兩種關(guān)聯(lián)式。甘建德[2]對板翅式機油換熱器的結(jié)構(gòu)對傳熱性能的影響進(jìn)行了研究，建立了機油換熱器的數(shù)學(xué)模型，得到了機油換熱器優(yōu)化設(shè)計的結(jié)果。建立板翅式換熱器的數(shù)學(xué)模型，并對其進(jìn)行理論研究，深入地了解換熱器內(nèi)部的傳熱機理，可以更加深刻地知道板翅式換熱器內(nèi)部的流體的運動狀況。對板翅式換熱器采用數(shù)值模擬的方法可以對板翅式換熱器在各種工況下的運行情況進(jìn)行相當(dāng)可靠的預(yù)測，還能為換熱器的實驗研究提供理論性的指導(dǎo)。鋸齒形翅片是緊湊式換熱器中最常見的翅片形式之一。在流體流動的過程中，流體熱邊界層在上一翅片段還沒有得到充分的發(fā)展時就被下一錯位的翅片所破壞，從而增強了換熱。Joshi H. M.和 Webb R. L. [3]對鋸齒形翅片進(jìn)行了數(shù)值計算和實驗研究。數(shù)值計算得出的Nu和摩擦因子與實驗值有20%的誤差。Amon和Mikic[4]對鋸齒形翅片的流動和傳熱特性進(jìn)行了數(shù)值模擬，得到在某一臨界雷諾數(shù)時，流體流動出現(xiàn)波動，并且傳熱性能增大的幅度相對于壓力損失來說更明顯。Balachandar和Parker[5]采用數(shù)值模擬的方法對上游翅片的尾渦產(chǎn)生進(jìn)行了分析，對單個翅片和鋸齒形翅片組進(jìn)行了比較并發(fā)現(xiàn)，鋸齒形翅片組產(chǎn)生尾渦的臨界雷諾數(shù)相對要小。

本文運用CFD軟件，對空氣循環(huán)制冷系統(tǒng)中板翅式換熱器的換熱性能進(jìn)行了數(shù)值模擬，分析了不同工況條件對其換熱效率的影響。

2 數(shù)值模擬計算

2.1 物理模型的建立

鋸齒形板翅式換熱器模型示意圖如圖1所示，它是由換熱器冷通道和熱通道疊加釬焊而成。

換熱器在實際應(yīng)用中外面會做保溫，整個外殼是絕熱的。但在模擬過程中，為了簡化物理模型，忽略最外層絕熱的影響，把換熱器的換熱看成是周期性的換熱過程。綜合考慮換熱器的整體結(jié)構(gòu)具有周期性，考慮到流動和換熱的周期性問題，也為了提高計算速度和網(wǎng)格密度，利用SolidWorks建立的本文計算對象為圖1中虛線包圍的區(qū)域，即選取了換熱器的一個冷通道（即環(huán)境空氣側(cè)）和兩個半個熱通道（即壓縮空氣側(cè)）。截取出來的計算區(qū)域如圖1所示。本章板翅式換熱器芯體結(jié)構(gòu)示意圖如圖1 所示，其中冷邊和熱邊均為鋸齒形翅片，芯體的流動方式為交錯流式。環(huán)境空氣（冷邊空氣）從板翅式換熱器的中間通道流過，將熱量通過換熱過程（對流和導(dǎo)熱）傳給翅片及與其釬焊成一體的隔板。壓縮空氣（熱邊空氣）從板翅式換熱器上下兩個半個通道流過，通過與翅片及與其釬焊成一體的隔板換熱將熱空氣傳來的熱量帶走。

從圖4可以看到整個熱流體域計算區(qū)域內(nèi)的相對壓力變化情況：熱流體域主體換熱區(qū)域以及集氣部分的相對壓力變化不大，在熱流體域進(jìn)出口處的相對壓力有一定的變比，大概有25Pa左右的壓降。這說明空氣在熱流體域中有一定的壓力損失。與之相較，冷流體域中的壓力幾乎不變。

2.4 換熱器效率模擬值

當(dāng)換熱器熱邊進(jìn)口流量為360kg/h，改變換熱器冷邊流量對換熱器進(jìn)行了模擬，得到換熱器效率隨著換熱器冷邊空氣流量的變化曲線如圖5所示。

從圖5可以看出，隨著換熱器冷邊空氣流量的增大，換熱器效率是增大的。當(dāng)冷邊空氣流量從985kg/h增加到2780kg/時，換熱器的效率也從51%增加到78%。

3 結(jié)論

應(yīng)用CFD軟件，對鋸齒形板翅式換熱器在變工況下的換熱器內(nèi)部流動與換熱特性進(jìn)行了數(shù)值模擬，分析了不同的工況條件對換熱器性能的影響，結(jié)論如下。

（1）隨著換熱器冷邊空氣流量的增大，換熱效果增強，沿流動方向溫度值在不斷降低，且在接近翅片附近熱空氣的溫度值越低。換熱器熱流體域的溫度變化越大，換熱器熱邊出口溫度越低，換熱效率增大。

（2）空氣在熱流體域中有一定的壓力損失。與之相較，冷流體域中的壓力幾乎不變。

（3）當(dāng)換熱器熱邊進(jìn)口流量為360kg/h時，隨著冷邊空氣流量從985kg/h增加到2780kg/，換熱器的效率也從51%增加到78%。

參考文獻(xiàn)：

[1] A. R.Wieting， Empirical Correlations for Heat Transfer and Flow Friction Characteristics of Rectangular Offset-Fin Plate-Fin Heat Exchangers. Journal of Heat transfer， 1975， 97： 488～490.

[2] 甘建德.板翅式機油冷卻器結(jié)構(gòu)對傳熱性能的研究[D].武漢：武漢理工大學(xué)，2008.

[3] H. M.Joshi， R. L.Webb. Heat transfer and friction in the offset strip fin heat exchanger [J]. International Journal of heat and mass transfer， 1987， 30： 69～84.

[4] C. H .Amon， B. B.Mikic. Spectral Element simulations of Forced Convective Heat Transfer： Application to Supercritical Slotted Channel Flows [J]. ASME HTD，1989， 110：175～183.

[5] S. Balaehandar， S. J.Parker， Onset of Vortex Shedding in an Inline and Staggered Array of Rectangular Cylinders[J]. Physics of Fluids， 2002， 14（10）， PP. 3714～3732.endprint