胡自成， 高緒浩， 范顯旺， 荀貴章， 劉大忠

(1. 江蘇大學 能源與動力工程學院， 江蘇 鎮(zhèn)江 212013； 2. 江蘇維創(chuàng)散熱器制造有限公司， 江蘇 揚州 225261)

管帶式散熱器是發(fā)電機組冷卻系統(tǒng)的核心部件，由芯體、水室、主片、側(cè)板及安裝支架等通過釬焊工藝焊接而成.芯體是核心部分，由扁管、百葉窗翅片式散熱帶及上下主片組成[1].管帶式散熱器傳熱熱阻80%來源于空氣側(cè)[2]，眾多學者研究了百葉窗翅片結(jié)構(gòu)對散熱器空氣側(cè)流動傳熱性能的影響.DONG J. Q.等[3]對20種不同結(jié)構(gòu)參數(shù)的百葉窗翅片采集了336個試驗數(shù)據(jù)，進行多元回歸和顯著性檢驗，結(jié)果表明：翅片間距增大，傳熱因子和摩擦因子降低；翅片高度增大，傳熱因子和摩擦因子增大；開窗角度和翅片長度增加，傳熱因子增加；開窗角度增大，摩擦因子增大；百葉窗間距增大，摩擦因子減小.漆波[4]通過數(shù)值模擬獲得的最佳結(jié)構(gòu)參數(shù)如下：百葉窗開窗角度為27°，翅片厚度為0.1 mm，此時，散熱器具有較好的綜合性能.王迎慧等[5]對不同翅窗間距比的百葉窗翅片流動傳熱進行了數(shù)值模擬，發(fā)現(xiàn)最佳窗翅間距比為1.2.JANG J. Y.等[6]對雷諾數(shù)為100～1 000的不同百葉窗結(jié)構(gòu)參數(shù)進行了研究，結(jié)果表明：百葉窗間距相同時，摩擦因子隨百葉窗角度的增大而增大；相同百葉窗角度下，摩擦因子隨百葉窗間距的增大而減小.A. VAISI等[7]對管帶式散熱器進行了性能測試，結(jié)果表明：百葉窗對稱布置時，散熱器傳熱性能較百葉窗非對稱布置時提高9.3%，而對稱布置時的壓降較非對稱布置時低18.2%.JANG J. Y.等[8]、吳學紅等[9]通過Fluent對定角度翅片與變角度翅片進行了研究，結(jié)果表明：采用變角度百葉窗翅片結(jié)構(gòu)可有效提高散熱器綜合性能.

由上可見，散熱器百葉窗翅片的百葉窗角度、間距、高度和翅片間距、高度、厚度等結(jié)構(gòu)參數(shù)都對散熱器流動與傳熱性能有重要影響.轉(zhuǎn)向區(qū)長度和數(shù)目也是百葉窗翅片散熱器重要的結(jié)構(gòu)參數(shù).目前，相關(guān)參數(shù)對百葉窗翅片散熱器流動傳熱性能影響的研究還很少.楊潤澤等[10]建立8種結(jié)構(gòu)形式的百葉窗翅片模型，研究表明增加百葉窗翅片轉(zhuǎn)向區(qū)數(shù)目可以有效降低進出口壓降，但其針對的是汽車空調(diào)平行流冷凝器.

筆者針對管帶式散熱器的傳熱與流阻特性，建立管帶式散熱器百葉窗翅片的三維流動和換熱模型，計算分析轉(zhuǎn)向區(qū)長度和轉(zhuǎn)向區(qū)數(shù)目對百葉窗翅片換熱器的傳熱和流動特性的影響.

1 計算模型及數(shù)據(jù)處理

1.1 物理模型及邊界條件

散熱器扁管單排布置時，扁管和百葉窗翅片結(jié)構(gòu)如圖1所示，扁管寬度Dm為2.0 mm，長度Lm為26.0 mm；百葉窗間距Lp為1.5 mm，高度Hp為6.4 mm，角度θ為27°；翅片高度Hd為8.0 mm，長度Ld為26.0 mm，間距Lf為1.6 mm，厚度δ為0.1 mm，進出口長度S2為1.75 mm；扁管和翅片材質(zhì)均為鋁合金3003.主要研究轉(zhuǎn)向區(qū)長度和數(shù)目對散熱器流動換熱性能的影響，轉(zhuǎn)向區(qū)長度S1分別取1.5、3.0、4.5 mm，轉(zhuǎn)向區(qū)數(shù)目n分別取1～3個(單排管時)和1～6個(3排管時).

單排管的計算區(qū)域和邊界條件如圖2所示.考慮到散熱器結(jié)構(gòu)的對稱性與周期性，選擇1/2的翅片作為計算區(qū)域，包括空氣側(cè)流體域和翅片及扁管側(cè)固體域.流道進口采用速度入口，空氣迎面風速uin取4～12 m·s-1，進口溫度Tin取308 K，出口為壓力出口.流體域空氣物性參數(shù)根據(jù)空氣進出口平均溫度確定，固體域材料參數(shù)的材質(zhì)設(shè)定為鋁合金3003，其導熱系數(shù)為160 W·(m·K)-1.百葉窗翅片和流體區(qū)域交界面為耦合傳熱面，假定扁管壁溫Tw為恒壁溫，Tw=358 K，上下表面為周期性邊界條件，表面溫度、速度與壓力相同.為避免出口回流影響，實際計算區(qū)域前后延伸5.0 mm.

1.2 數(shù)學模型及網(wǎng)格劃分

T. PERROTIN等[11]指出： 以百葉窗間距為特征尺寸，雷諾數(shù)為40～1 200時，翅片內(nèi)空氣流動為層流；uin為4～12 m·s-1工況下，雷諾數(shù)為376～1 129.模擬采用三維常物性、不可壓、層流和穩(wěn)態(tài)模型.連續(xù)性方程、動量方程和能量方程分別為

(1)

(2)

(3)

式中：ρ為流體密度；ui、uj、uk為流體沿x、y、z方向的流速分量；cp為比定壓熱容；T為溫度；p為壓強；λ為導熱系數(shù)；μ為動力黏度.

計算單元網(wǎng)格通過ICEM軟件進行劃分，采用結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格和非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格相結(jié)合的方法，對扁管、翅片表面的附近區(qū)域進行網(wǎng)格加密處理.控制整個計算區(qū)域的網(wǎng)格質(zhì)量不低于0.4，經(jīng)網(wǎng)格無關(guān)性檢驗，確定計算網(wǎng)格數(shù)為70～80萬個.

為保證計算精度和收斂穩(wěn)定性，F(xiàn)luent采用Laminar模型求解，其中采用SIMPLEC算法對壓力和速度進行耦合求解，使用二階迎風格式進行離散.

1.3 數(shù)據(jù)處理

在uin為4～12 m·s-1工況下，計算空氣側(cè)傳熱因子j，即

(4)

(5)

(6)

(7)

式中：ReLp為以百葉窗間距為特征長度下的雷諾數(shù)；ρa為空氣密度；uc為最窄截面處風速；μa為空氣動力黏度；ΔTm為對數(shù)平均溫差；Tw為壁面溫度；Ti、To分別為空氣的進、出口溫度；ha為空氣側(cè)換熱系數(shù)；qm為空氣質(zhì)量流量；A0為空氣側(cè)換熱面積；Pr為普朗特數(shù).

空氣視為不可壓縮流體，在uin為4～12 m·s-1工況下，計算摩擦因子f，即

Δp=pin-pout,

(8)

(9)

式中：Δp為進、出口壓力差；pin、pout分別為進、出口壓力；Ac為最窄截面處空氣流通面積；kc、ke分別為空氣進、出百葉窗翅片由于面積突縮和突擴而產(chǎn)生的壓力損失系數(shù)，根據(jù)模型尺寸選擇kc和ke均為0.

2 結(jié)果分析與討論

2.1 模擬結(jié)果驗證

為驗證模擬結(jié)果的可靠性和精確性，將模擬結(jié)果與文獻[5]通用性及精準性較好的關(guān)聯(lián)式計算結(jié)果比較，如圖3所示，模擬結(jié)果與關(guān)聯(lián)式吻合較好，傳熱因子和摩擦因子誤差分別為7.5%～11.2%和9.3%～14.5%.究其原因，模型簡化、空氣流動不均勻性和常物性假設(shè)導致了誤差.

圖3 模擬結(jié)果與關(guān)聯(lián)式計算結(jié)果對比

2.2 轉(zhuǎn)向區(qū)數(shù)目和長度對j和f的影響

在轉(zhuǎn)向區(qū)數(shù)目n分別為1～3 個(單排管時)和1～6 個(3排管時)，轉(zhuǎn)向區(qū)長度S1分別為1.5、3.0和4.5 mm，uin為4～12 m·s-1工況下的傳熱因子j和摩擦因子f的變化分別如圖4、5所示.

從圖4可以看出：轉(zhuǎn)向區(qū)數(shù)目和長度一定時，單排管和3排管的傳熱因子都隨迎面風速的增加而減?。幌嗤骘L速下，傳熱因子隨轉(zhuǎn)向區(qū)數(shù)目和長度的乘積的升高而降低；轉(zhuǎn)向區(qū)數(shù)目和長度的乘積相同時，傳熱因子隨轉(zhuǎn)向區(qū)數(shù)目的增加而增加.究其原因：空氣側(cè)對流換熱系數(shù)一般與迎面風速成指數(shù)關(guān)系(指數(shù)小于1.0)，由式(7)可知，轉(zhuǎn)向區(qū)一定時傳熱因子與迎面風速成反比關(guān)系；相同迎面風速下，轉(zhuǎn)向區(qū)長度與數(shù)目乘積增加，意味著翅片中百葉窗占比減少，流經(jīng)百葉窗的空氣份額減少，減弱了對流傳熱效果；當百葉窗占比相同時，轉(zhuǎn)向區(qū)數(shù)目增加，使氣流多次轉(zhuǎn)向而擾動強化，增加轉(zhuǎn)向區(qū)數(shù)目，流場經(jīng)過多次轉(zhuǎn)向，使得流場在翅片表面分布更為均勻.更為均勻的流場增加了破壞翅片表面邊界層的能力，從而達到強化傳熱目的，換熱得以強化.

圖4 轉(zhuǎn)向區(qū)數(shù)目和轉(zhuǎn)向區(qū)長度對j的影響

從圖5可以看出：摩擦因子f與轉(zhuǎn)向區(qū)數(shù)目、轉(zhuǎn)向區(qū)長度和迎面風速的變化規(guī)律與圖4類似，但當轉(zhuǎn)向區(qū)數(shù)目和長度的乘積較高時，摩擦因子降低更為明顯.究其原因：空氣側(cè)為層流，轉(zhuǎn)向區(qū)一定時，摩擦因子與迎面風速成反比關(guān)系；相同迎面風速下，隨著轉(zhuǎn)向區(qū)長度與數(shù)目乘積增加，翅片中百葉窗占比減少，窗間流份額持續(xù)減少，通道內(nèi)空氣流動阻力持續(xù)降低.以S1=1.5 mm為例，相同工況下，2個轉(zhuǎn)向區(qū)摩擦因子比1個轉(zhuǎn)向區(qū)降低4.1%～8.3%.

圖5 轉(zhuǎn)向區(qū)數(shù)目和轉(zhuǎn)向區(qū)長度對f的影響

2.3 轉(zhuǎn)向區(qū)數(shù)目和長度對綜合性能的影響

從相同輸送功率下傳遞熱量來考慮，引入的綜合性能系數(shù)[12]為

(10)

式中：j0和f0分別為基準傳熱因子和基準摩擦因子.

根據(jù)工程實際，以1個轉(zhuǎn)向區(qū)(單排管時)、3個轉(zhuǎn)向區(qū)(3排管時)和轉(zhuǎn)向區(qū)長度為1.5 mm作為基準傳熱因子j0和基準摩擦因子f0的計算條件.轉(zhuǎn)向區(qū)數(shù)目n、轉(zhuǎn)向區(qū)長度、迎面風速uin對綜合性能系數(shù)JF的影響如圖6所示.

圖6 轉(zhuǎn)向區(qū)數(shù)目和轉(zhuǎn)向區(qū)長度對JF的影響

從圖6可以看出：相對于JF=1.0的工程實際，通過優(yōu)化轉(zhuǎn)向區(qū)長度和數(shù)目，JF存在優(yōu)化空間；單排管時，轉(zhuǎn)向區(qū)數(shù)目和長度組合為3個和1.5 mm、1個和4.5 mm、1個和3.0 mm、2個和1.5 mm時，綜合性能較好，其中以轉(zhuǎn)向區(qū)數(shù)目為3個、長度為1.5 mm時，綜合性能最好；3排管時，轉(zhuǎn)向區(qū)數(shù)目和長度組合為3 個和3.0 mm、2個和3.0 mm、4個和3.0 mm、2個和4.5 mm時，綜合性能較好，其中，以轉(zhuǎn)向區(qū)數(shù)目為3 個、長度為3.0 mm時綜合性能最好.由上可知，和傳熱因子和摩擦因子不同，綜合性能系數(shù)與轉(zhuǎn)向區(qū)數(shù)目和長度的乘積沒有必然聯(lián)系，因此，散熱器需要獲得較好綜合性能，需合理匹配轉(zhuǎn)向區(qū)長度和數(shù)目.實際應(yīng)用中，迎面風速和扁管參數(shù)一定時，扁管3排布置和單排布置相比，傳熱和流動性能通常會變差.通過轉(zhuǎn)向區(qū)長度和數(shù)目的優(yōu)化匹配，可提升多排布置時的綜合性能，從而縮小其與單排布置的差距.

圖7 基準翅片與優(yōu)化后翅片相對值比較

從圖7可以看出：轉(zhuǎn)向區(qū)長度和數(shù)目在常規(guī)匹配、不同迎面風速下，3排管和單排管的傳熱因子、摩擦因子和綜合性能系數(shù)相對值分別為0.805～0.820、0.870～0.940和1.000，而優(yōu)化匹配下，相對值分別為0.800～0.810、1.000～1.040和0.970～1.060.轉(zhuǎn)向區(qū)長度和數(shù)目匹配下，由式(6)-(9)可以看出：和常規(guī)匹配相比，優(yōu)化匹配后3排管的換熱系數(shù)增加3%，壓降減少5%，綜合性能得以提升6%，縮小了其與單排管布置時的差距.由此可見，在多排管布置時，應(yīng)該在單排基礎(chǔ)上，同時改變和優(yōu)化轉(zhuǎn)向區(qū)數(shù)目和長度，在分析或擬合散熱器流動傳熱性能關(guān)聯(lián)式時，應(yīng)該考慮轉(zhuǎn)向區(qū)長度與數(shù)目及其匹配的影響，而這方面還需深入研究.

3 結(jié) 論

1) 轉(zhuǎn)向區(qū)長度和數(shù)目的乘積是影響傳熱因子和摩擦因子的綜合因素，一定迎面風速下，傳熱因子和摩擦因子隨轉(zhuǎn)向區(qū)長度和數(shù)目的乘積增加而降低，當轉(zhuǎn)向區(qū)長度和數(shù)目乘積相等時，傳熱因子與摩擦因子隨轉(zhuǎn)向區(qū)數(shù)目增加而增加.

2) 給定的結(jié)構(gòu)參數(shù)下，單排管布置時，轉(zhuǎn)向區(qū)長度為1.5 mm和轉(zhuǎn)向區(qū)數(shù)目為3 個時，散熱器綜合性能最好；3排管布置時，轉(zhuǎn)向區(qū)長度為3.0 mm和轉(zhuǎn)向區(qū)數(shù)目為3 個時，散熱器綜合性能最好.

3) 多排管布置時，轉(zhuǎn)向區(qū)長度和數(shù)目的優(yōu)化匹配，可有效縮小多排管布置與相應(yīng)單排管布置時的流動換熱綜合性能差距.