文|浙江盾安人工環(huán)境股份有限公司 張克鵬

一、概述

空調(diào)制冷系統(tǒng)中的換熱器主要有冷凝器和蒸發(fā)器兩種，其中這兩個(gè)部件也是壓縮制冷循環(huán)中不可或缺的基本部件。冷凝器的作用是將高溫高壓的冷媒熱量通過熱交換傳遞給室外環(huán)境；而蒸發(fā)器的作用是將低溫低壓的冷媒的冷量通過熱交換傳遞給內(nèi)部空氣，并帶走一定量的空氣中的水蒸氣。微通道換熱器是基于微尺度效應(yīng)的一種新型高效換熱器，借助特殊的加工工藝，以固體基質(zhì)制造的可用于進(jìn)行熱量傳遞的三維結(jié)構(gòu)單元，目前廣泛應(yīng)用于汽車空調(diào)行業(yè)等領(lǐng)域。

本文是以某冷凝器為研究對(duì)象，考慮了微通道換熱器在溫度載荷下的約束，利用HyperWorks 軟件對(duì)結(jié)構(gòu)整體溫度場進(jìn)行數(shù)值分析，分析過程中考慮了扁管、集流管、支架和管座之間的相關(guān)連接關(guān)系和約束關(guān)系，建立詳細(xì)有限元模型，用OptiStruct 求解器計(jì)算得到給定溫度載荷下的熱應(yīng)力分布和變形，判定設(shè)計(jì)方案的可靠性和合理性。

二、微通道換熱器的有限元模型建立

通過CATIA 建立微通道換熱器的三維實(shí)體模型，如圖1 所示。為便于有限元前處理，將模型導(dǎo)出為.stp 格式。

圖1 某微通道換熱器三維模型

針對(duì)該微通道換熱器模型，文章采用主流CAE 前處理軟件HyperMesh 進(jìn)行網(wǎng)格劃分。在進(jìn)行網(wǎng)格劃分時(shí)，微通道換熱器所有部件均用四邊形單位，單元類型為CQUAD4， 單元基本尺寸設(shè)為3mm，各個(gè)部件之間連接采用共節(jié)點(diǎn)。最終有限元模型共有節(jié)點(diǎn)數(shù)為405 392，單元數(shù)為461 174。微通道換熱器有限元模型如圖2 所示，局部放大圖如圖3 所示。

圖2 微通道換熱器有限元模型

圖3 微通道換熱器有限元模型局部放大圖

三、建立熱力耦合模型

1、傳熱分析原理

傳熱分析是指在熱載荷作用下，求解結(jié)構(gòu)的熱流量和溫度。熱流量表征了熱量流動(dòng)的快慢，溫度表征了可用熱量的多少。熱傳遞的熱量交換是通過峰值運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)的，固體與其周圍的流體通過自然對(duì)流進(jìn)行熱量交換。熱載荷通過進(jìn)出熱流量的大小定義。

材料的線性是線性穩(wěn)態(tài)分析的基本條件，主要考察熱平衡穩(wěn)態(tài)時(shí)結(jié)構(gòu)的熱流量和溫度。傳熱方程如下：

式中，（Kc）是傳熱系數(shù)矩陣，（H）是自然對(duì)流的邊界換熱系數(shù)矩陣，{T}是未知的節(jié)點(diǎn)溫度，{P}是熱載荷向量。求解系統(tǒng)的線性方程可以得到節(jié)點(diǎn)溫度。

熱載荷向量的方程表達(dá)式如下：

式中，{PB}是邊界熱通量功率，可以在OptiStruct 求解器的QBDY1 中定義；{PH}是自然對(duì)流的對(duì)流向量，在CONV 卡片中定義；{PQ}是內(nèi)部生熱的功率向量，在QVOL卡片中定義。

在沒有定義溫度邊界條件的情況下，方程式（1）左邊的矩陣是奇異的。利用高斯消元法求解平衡方程得到未知溫度。高斯消元法利用矩陣的對(duì)稱性和稀疏性提高了計(jì)算效率。計(jì)算出節(jié)點(diǎn)處的溫度后，就可以根據(jù)單元的形函數(shù)計(jì)算出溫度梯度{VT}。單元的熱流量可以利用下式計(jì)算：

式中，[k]是材料的傳熱矩陣。

2、熱力耦合

在結(jié)構(gòu)分析過程中，傳熱工況通過定義 TEMP（LOAD）卡片引用溫度信息，進(jìn)行熱-結(jié)構(gòu)耦合計(jì)算。結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析和傳熱分析中，溫度信息的 ID 默認(rèn)一致，通過修改 TSTRU 卡片來改變ID 溫度信息。

熱-結(jié)構(gòu)耦合分析的流程為：通過傳熱分析獲得結(jié)構(gòu)溫度場，將其作為結(jié)構(gòu)分析載荷的一部分。采用簡化的有限元網(wǎng)格一起進(jìn)行熱和結(jié)構(gòu)分析。

靜力結(jié)構(gòu)分析的控制方程如下：

式中，[K]是剛度矩陣；{D}是位移矢量；{f}是結(jié)構(gòu)載荷；{fT}是溫度載荷。

熱-結(jié)構(gòu)計(jì)算的耦合是先后順序的，熱分析影響結(jié)構(gòu)分析，而結(jié)構(gòu)分析通常對(duì)熱分析沒有影響。

四、計(jì)算設(shè)置

1、材料設(shè)定

微通道換熱器各部件材料分別為：扁管為9153 鋁，翅片、管座、隔板和端蓋為3003 鋁，集流管為3005 鋁，支架為6005 鋁，材料屬性具體參數(shù)(20 ～100℃)如表1 所列。

2、約束和載荷

熱傳導(dǎo)邊界初始溫度為20℃，工作過程中加熱到50℃。熱應(yīng)力分析邊界條件如圖4 所示，約束安裝支架螺栓孔的1～6 自由度。分析過程需要同時(shí)創(chuàng)建一個(gè)傳熱工況和結(jié)構(gòu)分析工況，先進(jìn)行熱傳導(dǎo)分析，進(jìn)而進(jìn)行熱應(yīng)力分析。

表1 微通道換熱器材料屬性

圖4 微通道換熱器約束示意圖

五、計(jì)算結(jié)果

文章利用HyperWorks 平臺(tái)OptiStruct 求解器進(jìn)行熱-結(jié)構(gòu)耦合分析， 圖5 為微通道換熱器熱應(yīng)力云圖，從圖中可以看出，最大應(yīng)力在集流管與安裝支架連接處，集流管最大應(yīng)力為91.2MPa，低于材料屈服強(qiáng)度147MPa。安裝支架最大應(yīng)力為57.1Mpa，高于其材料的屈服強(qiáng)度50MPa，存在破壞風(fēng)險(xiǎn)。

圖5 微通道換熱器熱應(yīng)力云圖

圖6 為微通道換熱器熱變形云圖，從變形云圖可以看出，變形比較大的位置主要為微通道換熱器四個(gè)角位置以及中間安裝約束位置，其中最大變形量為0.915mm，發(fā)生在集流管底部。

圖6 微通道換熱器變形云圖

六、結(jié)論

文章以某空調(diào)微通道換熱器為研究對(duì)象，運(yùn)用三維設(shè)計(jì)軟件建立了設(shè)計(jì)模型，利用HyperMesh 進(jìn)行有限元模型建立，最后用OptiStruct 進(jìn)行熱-結(jié)構(gòu)計(jì)算分析。分析表明，熱應(yīng)力最大位置為集流管與安裝支架連接處，安裝支架的最大應(yīng)力為57.1Mpa，超過材料屈服強(qiáng)度，在后續(xù)設(shè)計(jì)中需要加強(qiáng)改進(jìn)；最大變形發(fā)生在集流管底部，變形量為0.915mm。