邱王璋，， ，,

(上海理工大學 能源與動力學院,上海 200093)

0 引言

隨著我國汽車工業(yè)的發(fā)展和人們物質生活水平的不斷提高，人們對乘員艙內舒適性的要求也越來越高，汽車空調作為提高乘員艙舒適性的一個重要手段被大家所廣泛認可[1]。汽車空調的可靠性，是衡量汽車空調性能的重要標志。汽車空調中用于散熱的暖風芯體在生產(chǎn)過程中用到的釬焊技術，會存在虛焊的問題[2-3],而這一問題會導致某些安裝暖風芯體的汽車空調在運行一定時間后，芯體內產(chǎn)生漏水現(xiàn)象,從而影響汽車空調的可靠性。為此，提前找到虛焊的暖風芯體，并做出對應的改進措施，保證換熱器產(chǎn)品質量并在實際使用過程中不產(chǎn)生泄露問題，對提高汽車空調的整體性能顯得尤為重要[4]。

目前國內外對于汽車空調總成的研究主要集中在內部流場、溫度場的探討，具體到某一部分的研究主要是對蒸發(fā)器芯體、鼓風機等部件，對于暖風芯體的研究比較少[5]。對于此類換熱器可靠性的研究多集中于模擬分析，對可靠性的實驗研究比較少[6-8]。

針對暖風芯體的測試要求，本文首先根據(jù)裝置的可行性和工作效率，初步確定了測試裝置可同時測試的暖風芯體個數(shù)，通過對熱水管網(wǎng)的水力工況的計算，并結合數(shù)值模擬進一步確定方案，設計出一套汽車空調暖風芯體測試裝置。該裝置能為暖風芯體營造出比實際運行流量更大、壓力和溫度更高的惡劣環(huán)境，從而能高效、準確地檢驗被測芯體的可靠性。為檢測該測試裝置對暖風芯體的實際測試能力，對該裝置在不同熱水流量、環(huán)境溫度、工作壓力進行實驗，為該裝置被用于實際檢測提供科學依據(jù)，為換熱器測試裝置內管道的布置提供參考。

1 數(shù)值計算

1.1 熱水網(wǎng)路的水力計算

供熱管路系統(tǒng)按照供、回水方式的布置不同，可分為同程式和異程式系統(tǒng)[9]。同程式系統(tǒng)中，熱流體經(jīng)過每個環(huán)路的管道總長度相等，可消除或減輕系統(tǒng)的水力失調，壓力損失易于平衡[10]，但其管道的初投資相對較大。異程式系統(tǒng)中，熱流體經(jīng)過每個環(huán)路的管道總長度不相等，水力失調嚴重，使得調節(jié)和水流量分配比較困難。

為保證管道中各支路流量分配均勻，本裝置采用同程式系統(tǒng)[11],根據(jù)裝置占地空間大小和工作效率要求，初步確定可測試暖風芯體個數(shù)為4、6、8、10個。依據(jù)汽車空調換熱器相關標準，各芯體額定流量25 L/min，流速0.6～1.0 m/s，芯體尺寸為150.5 mm×28 mm×206 mm,利用流體力學水力計算的基本公式[12]?？傻?/p>

式中 ΔPy——計算管段的沿程損失/Pa；

ΔPj——計算管段的局部損失/Pa；

SH——管道總阻抗/s2·m-5；

λ——管段的摩擦阻力系數(shù)；

d——管子內徑/m；

ρ——熱媒的密度/kg·m-3；

ν——熱媒在管道內的流速/m·s-1；

ξ——管段中總的局部阻力系數(shù)。

圖1 同程式系統(tǒng)示意圖

1.2 測試裝置總水量和阻力的確定

由于計算過程不能達到理想阻抗,必須結合實際的布置方案,原理圖如圖1所示。經(jīng)計算測試6個暖風芯體時阻抗比較均勻，進出口壓差較合理，但進出口溫差需要進行模擬和測試，故本文只列出測試6個暖風芯體的裝置系統(tǒng)阻抗分布表1。測試裝置總設計要求盡可能減少各支路的阻力和熱量損失,首先根據(jù)被測芯體額定流量確定管道總流量,由假定流速法確定各管道截面尺寸,通過阻力計算公式確定總阻力，可計算出總循環(huán)水量

Qw=mq0

(4)

式中m——被測芯體個數(shù);

q0——單個芯體額定流量/L·min-1。測試裝置總阻力包括連接管道阻力和被測芯體阻力，管道內流速為0.6～1.0 m/s時，管道阻力為4～5.1 m，被測芯體阻力為0.5～0. 7 m。

表1 同程系統(tǒng)阻抗分布/s2·m-5

2 仿真模擬計算

采用CFD技術對同程管道的流量分配與阻力特性進行研究，分析不同支管個數(shù)對流量分配和阻力的影響，獲得相關數(shù)據(jù)。從而，利用仿真模擬所得數(shù)據(jù)對計算結果進一步確認，對設計方案進行選擇和優(yōu)化，再通過測試裝置對計算及模擬結果進行驗證，可大幅度提高裝置可靠性。

2.1 模型假設

利用商用軟件Fluent14.0,采用有限體積法對控制方程進行求解，管道及被測芯體中流動為湍流，采用標準函數(shù)k-ε模型，利用SIMPLE算法，且各變量的收斂精度為1×10-6。為簡化模型，首先對其做如下假設：

(1)工質水為不可壓縮流動，各點參數(shù)和流量不隨時間變化；

(2)被測芯體形狀大小完全相同，管道壁面摩擦系數(shù)均勻分布；

2.2 邊界條件及網(wǎng)格劃分處理

定義入口工質水為速度入口，給定入口速度，給定入口溫度為90 ℃；定義出口為壓力出口，出口背壓取0。計算網(wǎng)格是通過軟件Fluent前處理程序Gambit對整個計算區(qū)域進行劃分，即采用結構化網(wǎng)格又采用非結構化網(wǎng)格，能夠控制空間的網(wǎng)格質量大于0.85，為了驗證網(wǎng)格無關性，在比較多個不同網(wǎng)格數(shù)量的計算結構后，確保計算區(qū)域網(wǎng)格數(shù)量不影響計算結果[13]。

2.3 模擬結果及分析

具有若干個支路的閉式管網(wǎng)，確定其設計流量分配是否均勻，可用進入各支路的工質水不均勻度δ[14]表示，即

δ=(|mi-mj|/mj)×100%

式中mi和mj——第i支路的流量和各支路的平均質量流量。

平均流量是指理論設計中每個支路的流量。本文主要分析了在不同支路個數(shù)及一定平均流量范圍內,管道各支路流量不均勻度δ、主管進出口壓差及其溫差的變化特性，改變支路個數(shù)分別為4、6、8、10個，平均流量分別為20 L/min、25 L/min、30 L/min、35 L/min。設定管路中工質水的溫度為90 ℃，利用仿真模擬可以得出在一定平均流量范圍內及不同支路個數(shù)下，滿足流量不均勻度、進出口總壓差及溫差要求的支管個數(shù)，以下是模擬結果如圖2、圖3。

圖2 不同支路個數(shù)、平均流量下的流量不均勻度δ

圖3 不同平均流量下主管進出口壓差

2.4 模擬結果分析

相同平均流量是指理論設計中每個支路的流量相同，如測試4個和6個暖風芯體相同平均流量25 L/min時總流量分別為100 L/min和150 L/min。由圖2可以看出，就每個圖本身而言流量越大不均勻度略有變化但無明顯變化，這是因為裝置設計過程中，考慮到工程實際問題不能再加裝閥門等部件從而不能使各支路阻抗完全相等。隨著流量增大，當管道中流量超出裝置設計流量后其不均勻度表現(xiàn)不是非常明顯。將圖2各圖進行對比，在相同平均流量下隨著支路個數(shù)的增加，支路不均勻度增加較明顯。若裝置有4個被測芯體時，總體水流流速分布比較均勻，如圖2(a)，水流經(jīng)三通管后流入被測芯體，各支管間最大不均勻度為3.2%；若裝置有6個被測芯體時，總體水流流速分布仍較均勻，如圖2(b)，最大不均勻度4.3%，滿足不大于5%的要求；若有8個或10個被測芯體時水流分布明顯不均勻，尤其總流量較大時，最大不均勻度大于5%，故不滿足要求。

對于相同的支路個數(shù)，隨著流量的增加，各支路的不均勻度無明顯變化。這是因為各支路的不均勻度只與管路的阻抗分布有關，而總流量的增加只影響各支路流量的大小不影響其流量比，即各支路的流量與總流量同比例變化。流量不均勻度δ曲線成“W”型，且隨著支路個數(shù)增加“W”型越明顯，這是為滿足主管流速必須采用變徑，即在接入支管的主管1/2處變徑造成該段支管流量突變，從而引起該段流量不均勻度δ增大。

從圖3可得，隨著入口雷諾數(shù)Re的增大，進出口總管的壓差亦增大，且增大的越來越快。這是由于管路中多處三通、彎頭及閥門引起流速分布和流動方向的改變，再者水流由主管進入支管中會因撞擊和剪切而產(chǎn)生較大的漩渦區(qū)如圖4，這些都會產(chǎn)生水頭損失，并隨著入口雷諾數(shù)Re增大和被測芯體個數(shù)增加該水頭損失越大。

圖4 測試裝置模擬的流速場

經(jīng)試驗測試，支路平均流量和個數(shù)的增加進出口水溫差無明顯變化，溫差小于5 ℃不影響測試效果，故無需作圖說明。雖然流量增加在一定程度上增加了換熱效果，支路個數(shù)增加顯然增大了換熱面積。但由于管道外加保溫棉一方面防止直接接觸管道避免燙傷，另一方面起到保溫的作用。此外，熱水循環(huán)路徑較短,故主管進出口水溫差可忽略。

3 試驗測試

3.1 試驗裝置和方法

測試裝置管材采用直徑為DN65、DN40的PPR熱水管，實驗裝置如圖5所示，上下兩個獨立測試系統(tǒng)。水箱、水泵、被測芯體、回水閥、過濾器由管道連接組成循環(huán)熱水系統(tǒng)。測試前向水箱加入一定量水，通過水箱的電加熱獲得高溫水，由變頻器改變水泵頻率可獲得不同流量即不同壓力的循環(huán)水，從而營造出比暖風芯體實際工作更惡劣的環(huán)境，以致提前找到虛焊芯體，保證換熱器產(chǎn)品質量。熱水流經(jīng)主管流入各支管，再經(jīng)過被測暖風芯體后流入水箱。流量由安裝在支管上的FMG83型電磁流量計(美國OMEGA公司,測量精度為±1%)逐一測量各支路流量；主管道前后斷面安裝Y-100BFZ型精度為1.6級的壓力表(上海儀表四廠)用于測量前后壓差；溫度由OS540型手持式紅外測溫儀測量(測量精度為±1℃)。在額定平均流量25 L/min，水溫90 ℃，將試驗裝置測試得出的數(shù)據(jù)與模擬結果進行對比分析，如圖6。

圖5 試驗裝置示意圖

圖6 試驗值與模擬值的流量不均勻度δ對比

3.2 試驗結果與模擬結果對比分析

依據(jù)水力計算和數(shù)值模擬結果搭建能夠測試6個暖風芯體的測試裝置,通過測得各支路流量計算出流量不均勻度δ,通過測得進出口壓力計算壓差。與模擬結果進行對比，由圖5可見，最大不均勻度的試驗值均略大于模擬值，最大不均勻度為4.7%，與模擬計算值比較吻合，但試驗值的最大不均勻度較大。

在6個測試支路、平均流量為25 L/min條件下，數(shù)值模擬的主管進出口兩端壓差為29 kPa,試驗測試結果為32～35 kPa。

3.3 誤差原因分析

數(shù)值模擬結果與試驗測試結果之間的誤差主要原因：(1)數(shù)值結果所采用的模型是經(jīng)過一定簡化的，為減少網(wǎng)格數(shù)量，在不重要的部分網(wǎng)格比率較大；(2)試驗中水的物性參數(shù)隨著溫度和壓力的變化而變化，而數(shù)值模擬所采用的流動過程為恒定流動；(3)試驗中管壁溫度在不斷變化，隨著水溫升高而升高，而數(shù)值模擬中管壁溫度恒定不變；(4)試驗中由于加工、運輸?shù)确矫嬖?，每個暖風芯體的大小、粗糙度等不完全相同，而數(shù)值模擬中其均完全相同；(5)由于電磁流量計較昂貴，試驗中用同一個電磁流量計分別測得不同試驗各支路的流量，而數(shù)值模擬中測量的是同一迭代的模擬數(shù)據(jù)。

4 結論

本文通過水力計算、數(shù)值模擬并搭建出合理的測試裝置，通過試驗測試，得出以下結論：

(1)6個支路的測試裝置并聯(lián)運行，其流量不均勻度小于5%，主管進出口壓差滿足設計要求，進出口溫差可忽略。

(2)主管進口Re的增大不影響系統(tǒng)支路的流量不均勻度，即各支路的流量與系統(tǒng)總流量同比例變化，即改變總流量不影響各支路的水流分布。主管進出口阻力隨著進口Re增大而增大，隨著支管個數(shù)增多而增大。

(3)同程式管道存在一定的流量分布不均勻，但在一定條件下可以滿足不均勻度小于5%要求，該結果已應用到暖風芯體測試裝置上。流量不均勻度曲線近似成“W”型，且隨著支管個數(shù)增加“W”型越明顯。