李太科，黃 瑛

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

近年來(lái)，隨著汽車發(fā)動(dòng)機(jī)朝著“高功率、低排放、輕量化”的方向發(fā)展，以及新興的動(dòng)力電池、電機(jī)等發(fā)熱元件在汽車上的使用，對(duì)汽車散熱器的散熱性能提出了更高的要求[1-4]。百葉窗翅片作為汽車散熱器的重要組成部分，對(duì)散熱器的散熱性能起著至關(guān)重要的作用。因此，為了提升散熱器的散熱性能，研究百葉窗翅片結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)汽車散熱器散熱性能的影響具有重大意義[5-8]。

通過(guò)實(shí)驗(yàn)方法研究散熱器散熱性能需要花費(fèi)大量的時(shí)間和金錢，而CFD數(shù)值模擬在降低科研成本的同時(shí)大大提高了效率。國(guó)內(nèi)外諸多學(xué)者對(duì)百葉窗翅片散熱器進(jìn)行了大量的數(shù)值模擬研究。MYEONG等[9]研究了百葉窗翅片結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)散熱性能的影響，并對(duì)百葉窗翅片結(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化，散熱性能提高了15.7%。BERRIN等[10]對(duì)低雷諾數(shù)下的百葉窗翅片散熱器空氣側(cè)的散熱性能和流體流動(dòng)性能進(jìn)行了研究，結(jié)果顯示，在雷諾數(shù)為229，百葉窗開(kāi)窗角度為20°，翅片間距為1.5 mm時(shí)，散熱器能獲得最佳的散熱性能。CHING等[11]采用數(shù)值方法研究了翅片間距、百葉窗高度、百葉窗開(kāi)窗角度、翅片厚度、百葉窗間距等對(duì)百葉窗翅片散熱性能的影響，結(jié)果表明，翅片間距是影響換熱器散熱性能的主要因素，并最終通過(guò)綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)JF最大，得到了一組百葉窗結(jié)構(gòu)參數(shù)組合。潘岸等[12]對(duì)百葉窗翅片散熱器的百葉窗開(kāi)窗角度、翅片波距、翅片波高進(jìn)行了數(shù)值模擬仿真和優(yōu)化，仿真結(jié)果顯示，翅片結(jié)構(gòu)優(yōu)化后，在空氣側(cè)壓降變化不大的情況下，散熱器的整體散熱量提高了11.6%。

本研究以某商用收腰管型百葉窗式散熱器為研究對(duì)象，對(duì)百葉窗翅片開(kāi)窗角度(θ)、翅片厚度(δ)、窗翅間距(Lp)、翅片間距(Fp)等進(jìn)行研究，分析百葉窗結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)散熱器散熱性能的影響。

1 模型描述與數(shù)值模擬分析

1.1 百葉窗翅片模型

百葉窗翅片的三維模型如圖1所示。由于冷卻流體在沿收腰管方向和百葉窗翅片方向的流動(dòng)呈現(xiàn)一定的對(duì)稱性和周期性，為了減輕計(jì)算機(jī)負(fù)荷，提高計(jì)算效率，對(duì)其進(jìn)行了適當(dāng)?shù)暮?jiǎn)化。

圖1 百葉窗翅片三維模型

百葉窗翅片截面上的局部幾何參數(shù)的定義如圖2所示。

圖2 百葉窗翅片幾何參數(shù)的定義

1.2 控制方程

在利用傳統(tǒng)的流動(dòng)和能量方程進(jìn)行數(shù)值模擬之前，必須做出如下假設(shè)[13]:

1)假設(shè)水和空氣為三維的且是不可壓縮流體；2)流體的物性參數(shù)為常數(shù)且流動(dòng)為定常流動(dòng)；3)忽略重力、自然對(duì)流和熱輻射的影響。

采用k-εRNG湍流模型進(jìn)行數(shù)值模擬。k-εRNG模型打破了對(duì)雷諾數(shù)的范圍限制，考慮了高雷諾數(shù)和低雷諾數(shù)的情況，并且包含一個(gè)流動(dòng)粘性解析式，有效解決了對(duì)某些雷諾數(shù)范圍的壁面臨近區(qū)域的問(wèn)題。連續(xù)性方程和動(dòng)量守恒方程控制流體的流動(dòng)特性，能量守恒方程控制整個(gè)熱交換過(guò)程。三維穩(wěn)態(tài)的連續(xù)性方程、動(dòng)量守恒方程、能量守恒方程、k-εRNG模型的湍流動(dòng)能項(xiàng)以及湍流耗散項(xiàng)表示如下[14]:

連續(xù)性方程：

(1)

動(dòng)量方程：

(2)

能量方程：

(3)

湍流動(dòng)能方程：

(4)

湍流能量耗散方程：

(5)

式中：ρ為密度；u為速度；T為溫度；P為壓強(qiáng)；λ為導(dǎo)熱率；k為湍流動(dòng)能；ε為湍流動(dòng)能耗散率。其中：

1.3 邊界條件

百葉窗翅片結(jié)構(gòu)模型的空氣入口和出口部分都保留了足夠的長(zhǎng)度，其延長(zhǎng)部分為參數(shù)中窗翅間距的11.5倍，目的是為了保證流體能得到充分的發(fā)展，確保數(shù)值模擬仿真結(jié)果更接近實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

數(shù)值模擬中邊界條件設(shè)置包含幾類邊界條件：速度、壓力、對(duì)稱性、周期性和壁面邊界條件。具體設(shè)置為：空氣入口為速度入口邊界條件，速度取值為2～12 m/s，空氣的入口溫度293 K；空氣出口為壓力出口邊界條件，取值為1標(biāo)準(zhǔn)大氣壓。對(duì)于收腰管，管內(nèi)水流速度取值為2 m/s，溫度取值為353 K，水的出口邊界條件也設(shè)置為1標(biāo)準(zhǔn)大氣壓的壓力出口邊界條件。另外，百葉窗翅片的上、下兩個(gè)表面設(shè)置為沒(méi)有梯度的周期性邊界條件；在收腰管和百葉窗翅片的中心平面、流體和固體界面采用防滑耦合熱邊界條件。

數(shù)值仿真模擬采用計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)軟件ANSYS中Fluent板塊進(jìn)行計(jì)算。該軟件能夠較為精確地計(jì)算復(fù)雜的流體動(dòng)力學(xué)模型，并且提供了諸多的湍流模型。針對(duì)求解器的條件設(shè)置，模型采用工程實(shí)踐中適用范圍較廣的k-εRNG湍流模型，方程離散格式采用二階迎風(fēng)差分格式。

2 模型驗(yàn)證

選擇了4種不同網(wǎng)格數(shù)量的百葉窗翅片進(jìn)行網(wǎng)格獨(dú)立性檢驗(yàn)，分別為40萬(wàn)、60萬(wàn)、80萬(wàn)和100萬(wàn)網(wǎng)格數(shù)。80萬(wàn)網(wǎng)格數(shù)的壓降與100萬(wàn)的壓降相差0.42%，所以選取網(wǎng)格數(shù)為80萬(wàn)進(jìn)行數(shù)值模擬分析。

如圖3，數(shù)值模擬結(jié)果與文獻(xiàn)[15]中實(shí)驗(yàn)結(jié)果較為吻合，雷諾數(shù)(Re)在40～260之間時(shí)傳熱因子j的最大偏差約為8.1%，說(shuō)明模擬計(jì)算模型有較高的精度，能夠滿足工程的要求。

圖3 數(shù)值結(jié)果與文獻(xiàn)[15]的比較

3 結(jié)果與分析

3.1 開(kāi)窗角度

對(duì)開(kāi)窗角度θ在21°～31°之間、翅片間距Fp=1 mm、窗翅間距Lp=1.15 mm、翅片厚度δ=0.07 mm的百葉窗翅片散熱器，風(fēng)速在2～12 m/s范圍內(nèi)進(jìn)行數(shù)值模擬。開(kāi)窗角度在不同風(fēng)速下對(duì)傳熱因子j和阻力因子f的影響如圖4所示。

圖4 開(kāi)窗角度在不同風(fēng)速下對(duì)j、f的影響

由圖4可知：在相同風(fēng)速下，隨著百葉窗開(kāi)窗角度的增大，傳熱因子逐漸增大，但增大的趨勢(shì)漸弱，說(shuō)明增大百葉窗的開(kāi)窗角度對(duì)傳熱性能的影響較小。然而，相同風(fēng)速下，隨著百葉窗開(kāi)窗角度的增大，阻力因子也逐漸增大，阻力因子的變化范圍較為明顯，說(shuō)明百葉窗開(kāi)窗角度的變化對(duì)散熱器阻力性能的影響大于傳熱性能。因此，較小的開(kāi)窗角度對(duì)散熱器傳熱性能有較好的改善，一味地增大百葉窗開(kāi)窗角度將帶來(lái)更大的壓力和能量損失。

所以，在評(píng)價(jià)散熱器綜合性能時(shí)，不僅要考慮其散熱性能，阻力性能也不容忽視。故采用YUN和LEE定義的一個(gè)與j和f因子相關(guān)的無(wú)量綱因數(shù)JF[16]，以評(píng)估汽車散熱器的綜合換熱性能。開(kāi)窗角度對(duì)汽車散熱器的綜合換熱性能的影響如圖5所示。結(jié)果顯示，百葉窗開(kāi)窗角度逐漸從21°增加到31°，綜合評(píng)價(jià)因子逐漸降低，表明汽車散熱器的綜合性能隨著百葉窗開(kāi)窗角度的增大而降低。因此，較小的百葉窗開(kāi)窗角度有利于提高百葉窗翅片式散熱器整體的散熱性能。

圖5 開(kāi)窗角度在不同風(fēng)速下對(duì)JF的影響

3.2 翅片厚度

對(duì)翅片厚度δ在0.07～0.13 mm之間，百葉窗開(kāi)窗角度θ=23°，翅片間距Fp=1 mm，窗翅間距Lp=1.15 mm的百葉窗翅片散熱器，風(fēng)速在2～12 m/s范圍內(nèi)進(jìn)行數(shù)值計(jì)算。翅片厚度作為百葉窗翅片的重要參數(shù)，對(duì)散熱器的傳熱和阻力性能有較大的影響。翅片厚度在不同風(fēng)速下對(duì)傳熱因子和阻力因子的影響如圖6所示。

圖6 翅片厚度在不同風(fēng)速下對(duì)j、f的影響

由圖6可知：在較低風(fēng)速下，傳熱因子隨翅片厚度的增大而減小，隨著風(fēng)速逐漸增大，傳熱因子隨翅片厚度的增大而增大，但是翅片厚度對(duì)傳熱因子的影響幾乎可以忽略不計(jì)；相同風(fēng)速下，阻力因子隨翅片厚度的增大而增大，且增加趨勢(shì)較為明顯。

翅片厚度對(duì)汽車散熱器綜合換熱性能的影響如圖7所示。結(jié)果發(fā)現(xiàn)：隨著翅片厚度增加，傳熱因子以較小趨勢(shì)增大，阻力因子也隨之增大，導(dǎo)致綜合換熱性能評(píng)價(jià)因子隨著翅片厚度的增加呈現(xiàn)降低的趨勢(shì)。說(shuō)明增大翅片厚度對(duì)傳熱性能影響很小，卻帶來(lái)了較大的阻力，不利于百葉窗翅片散熱器的整體性能。

圖7 翅片厚度在不同風(fēng)速下對(duì)JF的影響

3.3 窗翅間距

對(duì)窗翅間距Lp在0.92～1.53 mm之間，百葉窗開(kāi)窗角度θ=23°，翅片間距Fp=1 mm，翅片厚度δ=0.07 mm的百葉窗翅片散熱器，風(fēng)速在2～12 m/s范圍內(nèi)進(jìn)行數(shù)值計(jì)算。窗翅間距在不同風(fēng)速下對(duì)j、f的影響如圖8所示。

圖8 窗翅間距在不同風(fēng)速下對(duì)j、f的影響

由圖8可知：在相同風(fēng)速下，傳熱因子隨窗翅間距的增大而增大，原因是窗翅間距越大，流入單個(gè)百葉窗的空氣越多，對(duì)流換熱效率越高；阻力因子隨窗翅間距的增大而增大。還可以發(fā)現(xiàn)，增加百葉窗窗翅間距對(duì)傳熱因子的影響大于對(duì)阻力因子的影響。

窗翅間距對(duì)汽車散熱器綜合換熱性能的影響如圖9所示。結(jié)果表明，綜合換熱性能評(píng)價(jià)因子隨著窗翅間距的增加而增加。進(jìn)而說(shuō)明增加窗翅間距有利于改善百葉窗翅片散熱器的整體性能。

圖9 窗翅間距在不同風(fēng)速下對(duì)JF的影響

3.4 翅片間距

對(duì)翅片間距Fp在1～1.3 mm之間，百葉窗開(kāi)窗角度θ=23°，窗翅間距Lp=1.15 mm，翅片厚度δ=0.07 mm的百葉窗翅片散熱器，風(fēng)速在2～12 m/s范圍內(nèi)進(jìn)行數(shù)值計(jì)算。翅片間距在不同風(fēng)速下對(duì)j、f的影響如圖10所示。

圖10 翅片間距在不同風(fēng)速下對(duì)j、f的影響

由圖10可知：在相同風(fēng)速下，傳熱因子隨翅片間距的增大而減小，原因是翅片間距較小時(shí)，空氣主要流向百葉窗通道，延長(zhǎng)了流動(dòng)通道，增強(qiáng)了換熱；阻力因子隨翅片間距的增大而減小，原因是翅片間距較小時(shí)，流動(dòng)通道的延長(zhǎng)導(dǎo)致了沿程阻力損失的增大。

翅片間距對(duì)汽車散熱器綜合換熱性能的影響如圖11所示。結(jié)果發(fā)現(xiàn)綜合換熱性能評(píng)價(jià)因子隨著翅片間距的增加而增大。較大的翅片間距帶來(lái)較小阻力的同時(shí)能較大程度地增強(qiáng)換熱，更加利于改善百葉窗翅片散熱器的整體性能。

圖11 翅片間距在不同風(fēng)速下對(duì)JF的影響

4 結(jié)論

對(duì)百葉窗翅片式散熱器開(kāi)窗角度、翅片厚度、窗翅間距以及翅片間距對(duì)散熱器的散熱性能進(jìn)行了數(shù)值仿真模擬研究，得到以下結(jié)論：

1)傳熱因子和阻力因子隨著開(kāi)窗角度增大而增大，綜合評(píng)價(jià)因子隨著開(kāi)窗角度的增大而減小，百葉窗開(kāi)窗角度為21°時(shí)，散熱器的綜合換熱性能最好。

2)低風(fēng)速時(shí)，傳熱因子隨著翅片厚度的增大而減小，隨著風(fēng)速的不斷增加，傳熱因子隨著翅片厚度的增大而增大，阻力因子隨著翅片厚度的增大而增大，綜合評(píng)價(jià)因子隨著翅片厚度的增大逐漸減小，翅片厚度為0.07 mm時(shí)，散熱器的綜合換熱性能最好。

3)傳熱因子、阻力因子和綜合評(píng)價(jià)因子均隨著窗翅間距的增大而增大，窗翅間距為1.53 mm時(shí)，散熱器的綜合換熱性能最好。

4)傳熱因子和阻力因子隨著翅片間距的增大逐漸減小，綜合評(píng)價(jià)因子隨著翅片間距的增大而增大，翅片間距為1.3 mm時(shí)，散熱器綜合換熱性能最好。