波紋翅片傳熱與流動特性數(shù)值仿真分析*

王 碩，閻 凱，任智達(dá)，劉俊杰，孔麗君，胡雪婷

（1.中車大連機車研究所有限公司，遼寧大連 116021；2.中車大連機車車輛有限公司，遼寧大連 116021）

0 引言

板翅式換熱器廣泛應(yīng)用于能源動力工程、石油化工工程、冶金材料工程、軌道交通等領(lǐng)域的熱管理系統(tǒng)中。目前板翅式散熱器的設(shè)計原理及方法非常成熟，針對機車及動車組用散熱器已經(jīng)形成了相應(yīng)的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)[1]，規(guī)范了產(chǎn)品的技術(shù)要求、試驗方法、表面狀態(tài)要求以及檢驗規(guī)則。由于波紋式翅片易于加工，同時易清洗耐污臟，改善換熱效果顯著等特性在機車及高速動車組得到廣泛應(yīng)用。本文采用數(shù)值仿真方法對波紋式翅片的傳熱及流動特性進(jìn)行研究，利用仿真數(shù)據(jù)制作波紋翅片性能評價圖。

國內(nèi)外的工程師及科技工作者主要集中精力優(yōu)化散熱翅片及改進(jìn)，在熱交換器的研究設(shè)計工作中，工程師大部分的時間和精力用于傳熱表面的設(shè)計及選用[2]。Kays和London[3]針對大量不同的板翅式換熱器傳熱表面結(jié)構(gòu)，開展了系統(tǒng)的實驗研究，總結(jié)出40多種翅片結(jié)構(gòu)的傳熱及阻力關(guān)聯(lián)式，為傳熱表面的設(shè)計提供了基礎(chǔ)參照。Kays和London簡單地將傳熱翅片分為平直型翅片、波紋翅片、三角翅片等連續(xù)翅片；鋸齒翅片、百葉窗翅片等間斷型翅片。即使有多種傳熱表面可供選擇，卻不存在一種任何條件下都是性能最佳的表面。強化傳熱的主要方式就是通過各種手段減薄和破壞邊界層，同時會引起流通阻力的增大，增加了輔助功耗[4]。數(shù)值仿真方法[5]在開發(fā)新翅片、新結(jié)構(gòu)，在特定要求下尋找最優(yōu)方案過程中發(fā)揮了重大作用。許偉等[6]利用CFD分析工具，進(jìn)行了多種不同類型翅片的數(shù)值試驗，探索翅片的傳熱特性。唐愛坤等[7]利用數(shù)值仿真工具探索最佳的散熱器設(shè)計方案，包括翅片的類型選擇、結(jié)構(gòu)尺寸的規(guī)劃等。Kim，G.W等[8]利用數(shù)值仿真進(jìn)行了汊流式用波紋翅片的散熱器分析計算優(yōu)化。所有研究人員的首要研究目標(biāo)是可以以較小的輔助功耗增加得到較高的換熱性能的提升，研究方法目前主要是在已有的試驗基礎(chǔ)上進(jìn)行大量的數(shù)值仿真研究。本文旨在一定范圍內(nèi)為機車及動車組板翅式換熱器空氣翅片選型提供參考，合理平衡不同曲率半徑下的波紋翅片換熱性能及輔助功率消耗。

1 數(shù)學(xué)模型及計算方法

傳熱和流動問題為穩(wěn)態(tài)的，其變量不隨時間變化，則假設(shè)：（1）流體的流動是三維、穩(wěn)態(tài)、不可壓縮、定物性的流動；（2）流體通道壁面溫度保持不變；（3）流體在流動區(qū)域內(nèi)是充分發(fā)展的；（4） 忽略輻射傳熱、黏性能量擴(kuò)散、體力等的影響。基于上述的假設(shè)，波紋翅片的計算域內(nèi)連續(xù)性方程、動量方程和能量方程的控制方程可參考文獻(xiàn)[9]。

如圖1所示的計算區(qū)域中，其邊界條件為：熱邊界條件為常壁溫65℃，給定入口空氣溫度40℃，出口設(shè)置常壓為大氣壓，進(jìn)口空氣流量作為變量。采用低雷諾數(shù)流動黏性的RNG k-ε模型進(jìn)行計算。

圖1 翅片邊界條件

采用二階迎風(fēng)格式對動量、能量方程及湍流動能方程進(jìn)行求解，對流項采用了二階迎風(fēng)格式，擴(kuò)散項采用中心差分格式。在方程的循環(huán)迭代求解過程中，對每個需求解的參數(shù)變量設(shè)定松弛因子，其中壓力的迭代因子為0.3，動量的迭代因子為0.7，湍流動能的迭代因子為0.8，湍流擴(kuò)散率的迭代因子為0.8，能量的松弛迭代因子設(shè)定為0.8。采用各個變量的殘差作為計算收斂的判斷依據(jù)，其中對連續(xù)性各方向的速度、湍流動能和湍流擴(kuò)散的殘差控制為小于10-6，能量的殘差控制為小于10-8。

2 仿真計算結(jié)果

圖2所示為波紋翅片上、下表面換熱系數(shù)沿著空氣流動方向的變化。從圖中可以看出，沿著波紋管道長度方向，換熱系數(shù)按照正弦形式波動，振蕩幅值逐漸減小。

圖2 波紋翅片上下表面換熱系數(shù)沿翅片長度方向的變化

本文評估了波紋翅片的無量綱曲率半徑對波紋管道的換熱特性、能量消耗等影響。換熱系數(shù)和努塞爾數(shù)代表波紋翅片傳熱能力。圖3所示為在不同雷諾數(shù)條件下，無量綱曲率半徑對波紋翅片換熱性能的影響。從圖中可以看到，隨著無量綱曲率半徑的增大，波紋翅片表面換熱系數(shù)和努塞爾數(shù)減?。辉诟呃字Z數(shù)條件下，換熱系數(shù)和努塞爾數(shù)的減小趨勢更加明顯。

空氣壓降和摩擦因數(shù)反應(yīng)了換熱器消耗能量的情況。如圖4所示，顯示了在不同雷諾數(shù)條件下，無量綱曲率半徑對波紋翅片能量消耗的影響。從圖中可以看到，隨著無量綱曲率半徑的增大，波紋翅片內(nèi)空氣流動壓降及摩擦因數(shù)減小；在高雷諾數(shù)條件下，壓降和摩擦因數(shù)減小的趨勢更加明顯。計算結(jié)果表明在其他條件不變的條件下，波紋翅片曲率半徑減小會消耗更多的能量克服流動阻力。

圖3 無量綱曲率半徑對波紋管道換熱性能的影響

圖4 無量綱曲率半徑對波紋翅片流動阻力特性的影響

空氣從波紋翅片中流過，從壁面吸收熱量。圖5所示為在不同雷諾數(shù)條件下，無量綱曲率半徑對波紋翅片進(jìn)出口截面處空氣溫度差的影響。從圖中可以看出，隨著無量綱曲率半徑的增大，波紋翅片進(jìn)出口空氣溫度差減??；這種減小趨勢在高雷諾數(shù)條件下更加明顯。進(jìn)出口空氣溫差越大，表明空氣吸收的熱量越多，波紋翅片換熱能力越強。計算結(jié)果表明較小的無量綱曲率半徑更有利于波紋管道換熱器進(jìn)行換熱；與圖3中的計算結(jié)論一致。

圖5 無量綱曲率半徑對波紋管道進(jìn)出口溫差的影響

圖6 波紋翅片性能評價圖

性能評價圖用于翅片換熱能力與能量消耗特性進(jìn)行綜合評價[10]。圖6所示為在不同雷諾數(shù)條件下，波紋翅片性能評價圖。圖中顯示，隨著f/f0的增大，Nu/Nu0逐漸增大，增大趨勢在高雷諾數(shù)時顯著；圖中曲線的斜率始終小于1，表明波紋翅片與平直翅片相比，傳能力增強速率低于輔助功耗增長速率。

3 結(jié)束語

本文對波紋翅片的換熱及流動阻力特性進(jìn)行了數(shù)值仿真，研究了無量綱曲率半徑對波紋翅片傳熱及能量消耗特性的影響，結(jié)論如下：（1）波紋翅片無量綱曲率半徑的減小可提升波紋翅片傳熱能；（2）波紋翅片曲率半徑的減小導(dǎo)致波紋翅片消耗更多的輔助功耗；（3）與傳統(tǒng)平直翅片相比，波紋翅片的傳熱能力增強速率低于輔助功耗增長速率。