百叶窗式翅片换热器中的耦合传热

　2005年10月第28卷第10期重庆大学学报(自然科学版)

JournalofChongqingUniversity(NturlScienceEdition)

Oct.2005　Vol.28　No.10

　　文章编号:1000-582X(2005)10-0039-04

百叶窗式翅片换热器中的耦合传热

漆　波,李隆键,崔文智,陈清华

(重庆大学动力工程学院,重庆　400030)

3

摘　要:对汽车上常用的百叶窗式换热器的传热过程进行了分析,建立了翅片内导热与翅片间耦合对流换热的物理数学模型,并采用数值分析方法对该耦合传热问题进行了数值模拟计算.计算结果揭示了百叶窗翅片换热器内部的流场结构和换热状况.与经验公式计算结果相比,数值计算的百叶窗翅片换热器通道阻力和换热系数显示出与实测值更好的一致性.

关键词:百叶窗翅片换热器;耦合传热;数值计算　　中图分类号:TK124

文献标识码:A

　　汽车散热器是汽车冷却系统中不可缺少的一个组成部分,其性能好坏对发动机的动力性、经济性和可靠性有很大的影响.优化散热器的设计包括使其传热最强,并且最小化其流动阻力.对大多数紧凑式换热器而言,其主要热阻在空气侧.百叶窗式翅片具有切断散热器上气体边界层的发展、减小边界层厚度、提高散热器性能的作用.目前,国内外散热器产品中,产品结构向紧凑、高效、轻量化方向发展.百叶窗式汽车换热器的比重明显上升.近年来,国外不少学者对百叶窗式翅片换热器的流动结构、传热与阻力特性进行了大量的实验研究

[1-3]

1　耦合传热的物理数学模型

如图1所示为某汽车散热器芯体结构和百叶窗结

构示意图.冷却水从扁管内流过,通过管壁和翅片的导热过程将热量传递到翅片表面.冷却空气流经百叶窗翅片间流道,通过与扁管及翅片表面间的对流换热将热量带走.散热器的几何结构尺寸和百叶窗的结构参数分别见表1.为简化起见,假定每个翅片间流道是均匀的,且扁管间距相同,如此只需对一个翅片单元内的对流换热进行研究,且只取扁管间单元的一半为计算区域,中剖面为对称面,单元模型的上下两个面为周期性边界.简化后的翅片耦合传热单元模型如图2所示.扁管制冷剂侧假定为对流换热边界,空气以均匀速度和温度进入流道入口,并与管壁和翅片表面交换热量.实验测试的换热器迎面风速度为2～7m/s范围.以翅片间距1.2mm为特征尺寸计算翅片间流道内气流的最大Reynolds数不超过500,因此,百叶窗翅片散热器内的流动为层流.流体的物性参数由进出口平均温度查取.

很显然,这是一个固体壁内的导热与气流对流之间相互耦合的复杂多维对流传热问题.

表1　散热器结构参数和百叶窗结构参数

结构参数

尺寸

as×bs×cs

FP

LP

Fth

,并在实验基础上整理得到一些计算流动

[4-6]

和传热性能的经验关系式.Baliga等采用控制有

[7]

限容积法,建立了二维的模型,分析了百叶窗翅片的流动和传热特性.对于车用百叶窗式换热器,由于构成翅片间流道的结构较复杂,因此其内部流动与传热过程非常复杂,很难用实验方法准确测定其内部流场结构和换热特性.此外,翅片内的导热与翅片间流体的对流传热是一个相互耦合的换热过程,这一点在以前的研究中都未加以考虑.采用数值计算方法可以比较快捷、准确及直观地反映流体在换热器中的流动结构,预测百叶窗翅片换热器换热特性,进而实现换热器设计方案的改进和优化.笔者拟建立百叶窗换热器中翅片与流体间耦合对流换热的数学模型,并采用数值方法进行求解.

3

mmFh

Fd

θ

S1S2

310×120×201.21.70.127°117.8

20

收稿日期:2005-05-10

作者简介:漆波(1976-),男,重庆江津人,重庆大学硕士研究生,主要从事传热传质方向的研究.? 1995-2006 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved.

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(自然科学版)　　　　　　　　　　　　　　　　　　　2005年

-=α(tw-tf),

w

(6)

水侧换热系数由经验公式计算得到;

6)固体和液体区域交接面为耦合传热面;7)其它壁面设定为绝热壁面.

对上述翅片内导热和空气间相互耦合的传热问题,利用控制容积有限元法进行整体耦合数值求解

[8]

.区域离散采用分区多块网格划分的方法,流体

和固体区域各自采用非结构化的棱柱体单元进行离散.为了保证模拟的精度,

在与固体壁面相邻的流体区域均划分了网格较密的附面层(见图3).

图1　

百叶窗式换热器芯体和百叶窗结构简图

图2　百叶窗翅片换热器耦合传热单元模型

　　其控制微分方程用张量形式表示如下:

(i)

连续方程=0.

xi动量方程

(1)

(ρ)μij)kuiuj=[+-]-.5xj5xj5xj5xi35xk5xi

(2)

图3　计算区域网格划分示意图

2　计算结果及其分析

目前,最常被引用的计算百叶窗式翅片散热器流动换热特性的经验公式是国外学者Webb

[1,4]

能量方程

(ρ()

uicpT)=[]+5xi5xi5xiiijk

)-[μ+].

xjxjxi3xk

(3)

提出来

的,他采用分区的方式建立了一套计算百叶窗翅片式换热器空气侧换热系数和阻力特性的经验公式,由于分区方式和计算公式繁复,在此不再赘述.其计算的最终结果是基于扁管表面积的空气侧平均换热系数,

h=Q/[Aw(Tw-Tref)],式中,Q为换热量,Aw为扁管光

　　固体区域内不存在动量的控制微分方程,能量微分方程(3)对固体区域仍然是适用的,只是固体区域内能量方程中包含速度项均为零.

边界条件的设定:

1)进口:假定入口速度为均匀来流,

u=const,v=w=0,Tin=const;

表面面积,Tw表空气侧扁管光表面平均温度,Tref采用空气进出口平均温度.为了分析数值模拟结果的可靠性,笔者在重庆超力高公司的协助下,测试了散热器的流动和传热性能.散热器的运行工况条件为:扁管水侧温度358K,水侧光表面当量对流换热系数

2

2000W/(m?K);散热器迎面风速2～7m/s,入口风温308K.笔者针对试验散热器在测试工况范围内对上述散热器单元模型区域内的耦合对流传热过程进行了数值计算.

(5)

　　2)出口设定为压力出口边界条件;

3)上下面设定为周期性边界条件,在这里,上下

表面的温度、速度与压力等皆相同;

<(x,y,0)=<(x,y,h);

　　4)对称面设定为对称边界条件

==0,w=0;xy

　　5)冷却壁面设定为第3类边界条件

(4)

图4和图5分别绘出了换热系数和流动阻力的数值计算结果与实测值的比较,图中同时列出了按Webb

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第28卷第10期　　　　　　　　　　漆　波,等:　

百叶窗式翅片换热器中的耦合传热41

的经验公式计算结果.由图4和图5可见,百叶窗翅片式换热器气侧换热系数与流动阻力的数值计算结果与实测值相当吻合.换热系数的数值计算结果较实测结果平均偏高7%左右,而按Webb经验公式计算结果比实测值普遍偏低,与实测值的最大偏差达21%(在较大迎风速度下),只有在3m/s左右的迎风速度下Webb公式计算结果与实测值吻合较好.空气侧流动

图7　

对称面上温度等值线图

阻力的数值模拟计算与实测值的平均偏差只有4%左右,而按Webb经验公式计算的流动阻力在流速较大时明显低于实测值

.

图8　翅片表面温度分布

3　结　论

1)建立了百叶窗式翅片散热器内翅片导热与空

图4　

百叶窗翅片散热器气侧换热系数

气对流换热的耦合传热模型,并在原形散热器实验测

试工况进行了相应的数值计算.

2)与按经验公式计算结果相比,数值计算的空气侧传热系数和流动阻力更接近实验测试结果.

3)数值计算结果揭示了百叶窗式翅片散热器内的流动结构和温度分布,证明翅片散热器结构有待进一步优化.参考文献:

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图5　百叶窗翅片散热器气侧流动阻力

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[6]　LYMANAC,STEPHANRA,THOLEKA,etal.Scaling

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2002,

(26):

图6所示为4m/s迎面风速下计算模型对称面上的速度矢量图,从图中可以清楚地了解到翅片换热器内空气流动结构.由图可知,换热器内空气以穿越百叶窗的流动为主,与文献报道的研究结果一致.图中带箭头矢量的长度表示速度的相对大小,可见换热器内最大流速出现在模型中部偏后的位置,即流动改变方向的第一个翅片通道

.

图6　迎面风速4m/s时对称面上的温度分布图

547-563.

[7]　BALIGABR,PATANKARSV.AControlVolumeFinite2

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图7为散热器迎面风速4m/s时计算得到对称面上的温度等值线图.由图可见,在散热器前半部分翅片表面空气温度梯度较大,这说明换热主要发生在散热器的前半部分.这一点从图8中翅片的温度分布图中也可以得到证实,说明散热器结构还可以进一步优化

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