鄭明強(qiáng)，趙津，馬秀勤，張秉坤，甯油江

(貴州大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，貴州貴陽(yáng)550025)

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百葉窗角度對(duì)管帶式中冷器傳熱與阻力特性影響研究*

鄭明強(qiáng)，趙津，馬秀勤，張秉坤，甯油江

(貴州大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，貴州貴陽(yáng)550025)

摘要：根據(jù)影響中冷器綜合性能的因素，建立了四組不同開(kāi)窗角度的百葉窗翅片計(jì)算模型，采用Fluent軟件，SIMPLE算法和標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型對(duì)傳熱特性和阻力特性進(jìn)行了仿真分析，得到不同開(kāi)窗角度下中冷器空氣側(cè)的溫度、壓力和換熱系數(shù)，及中冷器綜合性能評(píng)價(jià)因子。研究發(fā)現(xiàn)換熱主要集中在百葉窗前端，阻力損失主要集中在翅片區(qū)域；壓降隨著開(kāi)窗角度的增大而增大；在相同的工況條件下，開(kāi)窗角度為27°時(shí)，翅片表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)最大，具有更好的綜合性能。計(jì)算結(jié)果為中冷器散熱帶結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供了參考。

關(guān)鍵詞：中冷器百葉窗翅片壓降傳熱系數(shù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

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0引言

百葉窗管帶式換熱器廣泛應(yīng)用于車輛的冷卻系統(tǒng)中，如散熱器、中冷器[1-2]。對(duì)于空氣作為冷卻介質(zhì)的中冷器，熱阻主要集中在空氣側(cè)，因此提高其換熱效率的有效方法是減小空氣側(cè)的熱阻。散熱帶翅片上的百葉窗可以有效地切斷空氣側(cè)邊界層，阻止其進(jìn)一步發(fā)展，減小邊界層厚度，從而提高傳熱效率[3]。

不同開(kāi)窗角度對(duì)中冷器性能有較大的影響。Hsieh[4]等人設(shè)計(jì)開(kāi)窗角度依次遞增2°、4°和依次遞減2°、4°的百葉窗翅片，與固定開(kāi)角20°的百葉窗翅片進(jìn)行仿真對(duì)比研究，結(jié)果表明，開(kāi)窗角度遞增或遞減的模型都能強(qiáng)化換熱效果，但進(jìn)出口壓差均比固定開(kāi)窗角度的百葉窗翅片更高。Aoki. H[5]完成了在不同百葉窗角度下的傳熱性能實(shí)驗(yàn)，指出百葉窗角度增加引起傳熱系數(shù)增加，在角度為28°~30°時(shí)到達(dá)最大值。國(guó)內(nèi)學(xué)者周宇[6]等人，比較了4種不同傾角的百葉窗翅片的傳熱性能和阻力性能，發(fā)現(xiàn)壓降隨開(kāi)角的增大而增大。

目前百葉窗翅片不同參數(shù)對(duì)換熱器性能的影響研究主要用于散熱器的性能分析上，對(duì)于散熱管尺寸比較大的中冷器來(lái)說(shuō)，這方面的研究較少。因此本文利用流體分析軟件Fluent軟件，對(duì)某型管帶式汽車中冷器百葉窗翅片的傳熱和阻力特性進(jìn)行數(shù)值模擬計(jì)算，分析比較了4種不同百葉窗傾角(23°、25°、27°、29°)對(duì)傳熱和阻力的影響。

1計(jì)算條件

1.1研究假設(shè)

因研究?jī)?nèi)容不考慮流動(dòng)過(guò)程中流體的物理屬性隨溫度及流動(dòng)狀態(tài)變化而改變，故作出如下假設(shè)：

1)翅片材料采用厚度為0.2 mm的鋁片，鋁片厚度的導(dǎo)熱溫差可忽略；

2)流體為不可壓縮流體；

3)流體流動(dòng)為定常流，流體物理屬性不發(fā)生改變；

4)忽略翅片和扁管外壁面接觸熱阻，認(rèn)為扁管外壁面溫度和翅片根部相同。

1.2幾何模型及網(wǎng)格劃分

研究對(duì)象為如圖1所示的某型汽車中冷器的百葉窗翅片，由于翅片的結(jié)構(gòu)復(fù)雜，受計(jì)算機(jī)的限制，不可能對(duì)整體翅片進(jìn)行仿真。同時(shí)由于翅片的結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)對(duì)稱性和周期性變化，只需研究如圖2所示的一個(gè)翅片單元內(nèi)的對(duì)流換熱，這不僅可以較好的反映計(jì)算域參數(shù)特點(diǎn)，又可以節(jié)省計(jì)算時(shí)間。幾何模型尺寸參數(shù)如表1所示。

圖2　百葉窗模型

表1　幾何模型尺寸參數(shù)

通過(guò)軟件ICEM劃分網(wǎng)格，采用非結(jié)構(gòu)化的四面體單元分別對(duì)流體域和固體域進(jìn)行網(wǎng)格劃分，固體域網(wǎng)格數(shù)和流體域網(wǎng)格數(shù)如表2所示。

表2　網(wǎng)格數(shù)目

1.3材料屬性及參數(shù)

扁管外管壁及翅片采用軟件材料庫(kù)里的鋁制材料，冷流體的材料采用空氣。這兩種材料的基本物理屬性參數(shù)：密度、粘度、導(dǎo)熱系數(shù)和比熱，如表3所示。

表3　物理屬性參數(shù)

1.4控制方程及邊界條件

對(duì)于三維不可壓縮流動(dòng)的數(shù)值分析，采用如下3個(gè)控制方程[7]：

連續(xù)性方程：

動(dòng)量方程：

能量方程：

選用標(biāo)準(zhǔn)湍流k-ε模型，采用SIMPLE算法，對(duì)流項(xiàng)采用二階迎風(fēng)格式，計(jì)算模型為穩(wěn)態(tài)湍流不可壓縮流動(dòng)。邊界條件[8]為扁管壁面溫度恒定，進(jìn)口為給定的氣流速度和溫度。同時(shí)，為了保證入口和出口的充分發(fā)展，在入口處和出口處分別增加兩倍翅片間距的導(dǎo)流體[9]。出口為壓力出口，靜壓值為0，模型上下面為周期邊界條件，右端表面為對(duì)稱邊界，流體和固體接觸的區(qū)域?yàn)轳詈厦?，剩余面為絕熱壁面條件，如圖3所示。

圖3　邊界條件模型

根據(jù)不同開(kāi)窗角度，分別建立θ=23°，θ=25°，θ=27°，θ=29°四種不同開(kāi)窗角度的百葉窗翅片計(jì)算模型，進(jìn)口為空氣，數(shù)值模擬選取5個(gè)迎風(fēng)速度工況，分別為2 m/s，4 m/s，6 m/s，8 m/s，10 m/s，空氣進(jìn)口溫度為300 K及相應(yīng)的湍流條件，扁管長(zhǎng)度為664 mm，而一個(gè)周期的翅片所對(duì)應(yīng)的扁管長(zhǎng)度不到3 mm，因此扁管的壁面溫度可以看成是一個(gè)恒定值，本文取平均值為363 K，出口為壓力出口，相對(duì)壓力設(shè)為零。

2仿真結(jié)果分析

2.1流道內(nèi)的速度場(chǎng)

以風(fēng)速工況為10 m/s查看仿真結(jié)果，四種開(kāi)窗角度(23°、25°、27°、29°)對(duì)稱面速度場(chǎng)云圖如圖4所示。從圖中可以看出，大多數(shù)流體都沿著百葉窗流動(dòng)，流經(jīng)百葉窗翅片時(shí)，百葉窗下端的流速較高，當(dāng)流動(dòng)方向發(fā)生改變后，百葉窗上端的空氣流速較高。流經(jīng)百葉窗的最高速度分別為22.8 m/s、22.4 m/s、21.6 m/s、22.7 m/s，這表明開(kāi)角對(duì)空氣流速分布的影響較小。

圖4　四種開(kāi)角對(duì)稱面上的速度云圖

2.2流道內(nèi)的溫度場(chǎng)

四種開(kāi)窗角度的對(duì)稱面溫度場(chǎng)云圖(風(fēng)速10 m/s)如圖5所示，依次為23°、25°、27°和29°時(shí)的云圖，圖中可以看出，未開(kāi)窗的部分邊界層不斷的增長(zhǎng)，隨著空氣流經(jīng)百葉窗，百葉窗對(duì)空氣氣流造成了擾動(dòng)，阻止了邊界層的發(fā)展，這大大改善了對(duì)流換熱條件。翅片前半部分的翅片之間和空氣溫度梯度較后半部分大，隨著空氣向深度方向流動(dòng)，空氣逐漸被從扁管管壁傳來(lái)的熱量經(jīng)翅片加熱，到出口時(shí)溫度接近于壁面溫度。這說(shuō)明換熱主要集中在中冷器的前半部分。

圖5　四種開(kāi)角對(duì)稱面上的溫度云圖

2.3流道內(nèi)的壓力場(chǎng)

由于四種開(kāi)窗角度的對(duì)稱面壓力場(chǎng)(風(fēng)速10 m/s)分布趨勢(shì)大致相同，以23°對(duì)稱面壓力云圖進(jìn)行分析，如圖6所示，圖中可以看出，空氣的壓力逐漸減小，當(dāng)空氣流入翅片區(qū)域，由于百葉窗對(duì)氣流的擾動(dòng)作用，流動(dòng)方向發(fā)生變化，從而使脈動(dòng)阻力增大。壓力損失主要集中在空氣流入百葉窗的入口處。

圖6　開(kāi)窗角度為23°對(duì)稱面上的壓力云圖

2.4傳熱特性及阻力特性分析

隨著開(kāi)角的增加，進(jìn)出口壓降也相應(yīng)的增大，這說(shuō)明空氣在翅片之間及百葉窗之間的氣流量與開(kāi)窗角度有關(guān)。通過(guò)對(duì)比如圖7-11所示的5種不同工況下的傳熱系數(shù)可知，開(kāi)窗角度為23°時(shí)，翅片的表面換熱系數(shù)最小，當(dāng)開(kāi)角增大到27°時(shí)，翅片的表面換熱系數(shù)最大，翅片表面換熱系數(shù)較23°時(shí)增大3%~4.5%，但隨著開(kāi)角進(jìn)一步增大，換熱系數(shù)減小，因此，當(dāng)開(kāi)角為27°時(shí)換熱效果最好。開(kāi)角為23°時(shí)，進(jìn)出口壓降最小，隨著開(kāi)角的增大，壓降也進(jìn)一步增加，相同工況下，開(kāi)角為25°~29°時(shí)，進(jìn)出口壓降比23°時(shí)增大1.2%~23%。

圖8　4 m/s翅片換熱系數(shù)及進(jìn)出口壓降圖

圖10　8 m/s翅片換熱系數(shù)及進(jìn)出口壓降圖

圖11　10m/s翅片換熱系數(shù)及進(jìn)出口壓降圖

可見(jiàn)，增大開(kāi)角可以提高換熱系數(shù)，但與此同時(shí)，也不可避免的增大了進(jìn)出口壓降。因此，引用綜合換熱系數(shù)對(duì)不同開(kāi)角的百葉窗翅片進(jìn)行評(píng)價(jià)。如圖12顯示了4種開(kāi)角的綜合性能評(píng)價(jià)因子隨空氣入口速度的變化，從圖中可以看出，隨著風(fēng)速和角度的增加，綜合因子均相應(yīng)的降低，這是因?yàn)殡S著開(kāi)窗角度的增大，換熱系數(shù)增大的幅度沒(méi)有進(jìn)出口壓降增大的幅度大。但隨著開(kāi)角的增大，換熱效果更好。

圖12　不同流速下的綜合評(píng)價(jià)因子

3結(jié)論

在相同邊界條件下，運(yùn)用流體分析軟件Fluent對(duì)4種不同開(kāi)角的百葉窗翅片速度場(chǎng)、溫度場(chǎng)和壓力場(chǎng)進(jìn)行了模擬分析計(jì)算，結(jié)論如下：

1)空氣流經(jīng)百葉窗時(shí)，百葉窗下端速度較高，當(dāng)流動(dòng)方向改變后，上端速度較高，同時(shí)對(duì)比最高流速，表明百葉窗開(kāi)角的大小對(duì)速度分布影響較小。

2)換熱主要集中在中冷器的前半部分，在相同入口速度情況下，對(duì)比翅片表面的傳熱系數(shù)和進(jìn)出口壓降的大小，當(dāng)開(kāi)窗角度為27°時(shí)，翅片表面的換熱系數(shù)最高，較23°時(shí)換熱系數(shù)增大3%~4.5%，開(kāi)角為27°傳熱性能最好；壓降隨著開(kāi)角的增大而增大，增大幅度為1.2%~23%。

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Study on the influence of shutter angle on the characteristics of heat transfer and drag of tube-type intercooler

ZHENG Mingqiang, ZHAO Jin, MA Xiuqin, ZHANG Bingkun, NING Youjiang

Abstract:According to the factors affecting intercooler's comprehensive performance, four calculation models for louver fin at different louver angles are established. Using FLUENT software, SIMPLE algorithm and the standard k-ε model, simulation analysis is carried out to examine the characteristics of heat transfer and resistance, through which the temperature, pressure and heat transfer coefficient of the intercooler's airside at different louver angles are obtained, and the evaluation factors of its comprehensive performance are worked out. The study shows that the heat transfer mainly concentrates on the front end of the louver window, the resistance loss mainly occurs in the fin, and that the pressure drop increases with the increase of the louver angle. It is also found that, under the same conditions, when the louver angle is 27 degree, the heat transfer coefficient on the fin surface is the largest, which shows better comprehensive properties. The results would provide reference for future structure design for the cooling fin of intercooler.

Keywords:intercooler; louver fin; pressure drop；heat transfer coefficient；structure design

通訊作者：趙津(1973-)，男，教授，碩士生導(dǎo)師，主要研究方向：智能汽車及智能交通系統(tǒng)、汽車及其零部件設(shè)計(jì)方法。

基金項(xiàng)目：貴州省重大科技專項(xiàng)項(xiàng)目，黔科合中大專項(xiàng)字(2014)6004；企業(yè)橫向課題，模塊化車用散熱器產(chǎn)品設(shè)計(jì)與生產(chǎn)線布置與規(guī)劃,20141001。

收稿日期：2015-07-24 2015-06-11

作者簡(jiǎn)介：李凱峰(1989-)，男，碩士研究生，就讀于西南交通大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，研究方向：機(jī)電液一體化。 鄭明強(qiáng)(1990-)，男，漢族，貴州盤縣人，碩士研究生，主要從事汽車及其零部件設(shè)計(jì)方法研究。

中圖分類號(hào)：TH16;TK172

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1002-6886(2016)01-0031-05