平行流冷凝器百葉窗迎面風速的數值模擬

丁銘，侍園園，黃永麗，朱行

（浙江科技學院 機械與能源工程學院，杭州310023）

1 引言

汽車空調冷凝器作為一種風冷式冷凝器，其制冷效果很大程度上會受到外界環境變化的影響。當夏季外界溫度較高時，冷凝器為達到散熱要求需要更大的換熱面積，但是受限于汽車尺寸，只有通過改進結構形式來保證在迎風面積受限的情況下盡可能提高傳熱效率[1]。多元平行流冷凝器的熱阻主要在空氣側，減小空氣側熱阻是提升換熱效率的有效方法。本文通過數值模擬，分析了平行流冷凝器百葉窗翅片的空氣流動和換熱性能，對于平行流冷凝器的設計和改進提供重要的參考依據[2]。

2 物理模型

平行流冷凝器芯體左右兩側有兩根集流管，以多孔扁管相通，扁管之間由百葉窗翅片組成芯體。工作時，制冷劑從集流管a 流入扁管中，經過多孔扁管流入集流管b 中，再從集流管b 流進集流管a 的下一流程，直至流出。扁管之間連接有百葉窗翅片，翅片可以極大地增加傳熱面積，并且加快空氣流速，使得熱量最大程度地被空氣帶走[3]。根據冷凝器的幾何特征，其流道均勻且每層間距一樣，結構具有周期性和對稱性特征，為節約資源和提高效率，對最小的百葉窗單元進行空氣換熱研究十分必要。為了保證入口空氣流速均勻、出口無回流、充分發展，對進出口空氣側的計算域做了加長處理。百葉窗翅片結構參數取值如表1 所示。

表1 換熱器結構參數

3 數學模型

3.1 控制方程

ρ——空氣密度；

λ——空氣導熱系數；

cp——空氣比熱；

μi、μj、μk——i、j、k 方向的速度；

χi、χj、χk——i、j、k 方向的坐標；

μ——動力粘度；

3.2 建立翅片單元的三維模型

采用ANSYS mesh 劃分網格，計算域劃分采用非結構四面體，劃分出來的網格單元節點連接的網格數目不同，這樣可以很好地處理百葉窗和翅片的接觸區域。網格劃分完成，百葉窗模型計算域如圖1 所示，網格數量為101132 個。

圖1 計算域網格模型

3.3 邊界條件設置

①空氣入口設為速度進口：vX=v，vy=vZ=0，T=303.15K

④與百葉窗平行的上下面為周期性邊界條件：φ（x，y，zmin）

4 模型計算結果分析

本文研究的是空氣入口風速對百葉窗冷凝器換熱性能的影響，保持百葉窗結構參數不變只改變空氣進口速度，以1m/s為步長設置迎面風速為1～5m/s，對換熱器的流動和換熱情況進行分析。

4.1 翅片表面換熱量與換熱系數的沿程變化

由于百葉窗翅片是不連續的，沿翅片方向斷成眾多小節，將均勻流過的空氣在各個表面不同程度地破壞，達到強化傳熱的目的，導致百葉窗表面不同位置的換熱量與換熱系數有很大差別。換熱系數與換熱量沿程變化幅度劇烈，變化規律呈波浪狀，在每一片百葉窗邊界的前緣，即為換熱量與換熱系數極大值生成的地方。百葉窗前半部位置換熱量要明顯高于后半部分，冷氣空氣流經前半部分使得整體溫度上升，導致后半程散熱效果沒前半部明顯，并且后半段的百葉窗布局的變化也會導致散熱的差距出現[4]。

4.2 溫度流場分布對比

分別計算空氣入口風速是1～5m/s 時對稱面上百葉窗翅片溫度分布狀況，對稱面是百葉窗中心橫截面。由計算得出：流體區域內，沿著流動方向，溫度由高至低發生不穩定變化，在靠近翅片的區域溫度升高顯著，這得益于百葉窗翅片的高換熱系數。并且在百葉窗流域靠近入口的區域，溫差變化大，靠近出口的區域溫度梯度較小，說明空氣換熱主要集中在前半段；在垂直于翅片的方向上，越靠近翅片的位置溫度越高，溫度梯度變化越大。空氣出口處，迎面風速越小，溫度會越高，原因是空氣流量減小導致單位空氣的換熱量增大，從而空氣溫升增大。

4.3 壓力流場對比

當入口風速分別為1m/s 和5m/s 時，觀察翅片附近的最高壓力與最低壓力與風速的關系：在垂直百葉窗翅片方向上，距離百葉窗翅片越近的區域，表面壓力越小，距離較遠的區域壓力越大，這是由于空氣流經翅片表面，空氣受到阻礙，形成流速差，靠近翅片表面的地方空氣速度相對較小，動壓也小，而靠近壁面的區域空氣流速大，動壓也較大。平行于翅片方向上，當入口風速為1m/s 時，入口與出口處的壓力分別為5.118Pa 與-0.5394Pa，總的壓降為5.6574Pa；當速度為5m/s時，壓力降達到75.30Pa。隨著風速的增大，總壓降的增速呈上升趨勢（出口邊界的壓力值是0Pa，計算得到的各個區域的壓力值都是相較出口邊界壓力值得出的）。在一定范圍內，壓降和換熱系數都隨著風速增大而逐漸增大，提高入口風速可以提高換熱能力，但同時壓力損失也是增大的。

4.4 空氣側壓降模擬結果與實驗擬合式的對比

為了驗證數值模擬結果的準確性，本文通過實驗擬合式對模擬結果進行驗證。某些學者對91 種不同形式百葉窗翅片進行了實驗，將實驗數據擬合，得出傳熱和阻力性能計算公式[5]。該公式涉及換熱器百葉窗角度、間距，翅片間距、厚度，扁管寬度等幾何結構參數，公式復雜不詳述。作出空氣側壓降數值計算與實驗關聯式結果對比折線，如圖2 所示。從圖中可以看出，數值計算結果略低于實驗擬合式計算值，誤差在10%之內，變化規律基本相同。結合圖2 可得出：隨著入口風速的增加，空氣側壓降與換熱量都是逐漸增加的，但是換熱量增加的趨勢越來越小，而壓降的變化越來越大，可推出一定存在一個最佳的迎面風速，使冷凝器換熱效果較好，壓降也保持在可接受的范圍內。

圖2 空氣側壓降數值計算與實驗關聯式結果對比

5 結論

本文主要做了迎面風速對平行流冷凝器空氣側百葉窗空氣流動和傳熱效果影響的數值模擬，得到換熱量和換熱系數沿翅片呈波浪形變化并逐漸降低；不同風速下溫度、壓力流場的對比；不同風速下單位面積換熱量與風阻的關系，存在一個最佳的迎面風速，使冷凝器換熱效果較好且風阻也保持在一個合理的范圍內；通過空氣側壓降與實驗關聯式對比驗證，得出理論與實驗結果基本一致，驗證模型具有準確性。