中大型空气源热泵空气流场特性研究

龚建英 袁秀玲 吕宝成

(1 长安大学汽车学院 710064 西安；2 西安交通大学能源与动力工程学院 710049 西安；3 西安长庆华能实业有限公司 710021 西安)

V型翅片管式换热器广泛应用于中大型风冷热泵冷热水机组，其结构比较简单，但仍然存在以下问题：风侧换热器体积大、支路数多；换热器与风机的布置方式必然造成迎面风速分布不均，而流场分布的优劣直接影响换热性能、气动性能以及机组的安全稳定运行。

目前，对翅片管式换热器的传热性能和阻力特性的研究主要是针对均匀迎面风速进行的[1-4]，而实际的迎面风速是不均匀的，风速不均匀造成了温度场的不均匀，从而导致了换热效率的降低。近年来，一些学者开展了针对家用空调用风机的研究[5-7]，但是对于风冷热泵冷热水机组的风侧换热器空气场的研究几乎没有。与昂贵的流场测试相比，计算流体力学方法具有方便灵活等特点，仅仅需要改变初始条件、边界条件以及几何边界条件，就可以获得整个流场任意点处的详细信息，从而大大节约了研制周期和费用。

这里采用CFX商用数值模拟软件对风冷热泵冷热水机组风侧V型多排波纹翅片管换热器的空气场进行三维数值模拟，实验验证了数值模拟的可靠性。获得了流场特性，分析了V型换热器结构参数变化对流场特性的影响，为优化系统性能和改进设计提供了依据。

1 V型换热器物理模型

CFD分析模型中的系统结构如图1所示，主要由轴流风机、V型波纹翅片管换热器组成。由图1可知风机沿V型换热器长度方向对称布置，为了便于计算，取二分之一长度方向的模型进行计算。

图1 模型系统结构图Fig.1 The schematic diagram of the simulated heat exchanger

被模拟的系统为1台名义制冷量为50kW的风冷热泵冷热水机组风侧换热器，如图1所示，风侧换热器有两块，呈V字型布置，风机位于V字型的顶部。每块换热器4排共12个回路，每排32根管，迎风面积0.8×1.3=1.04m2，铜管规格为φ9.52×0.3mm光管，波纹翅片，片厚0.12mm，翅片间距0.2mm，翅片表面未镀亲水或者憎水。空气通过位于V型换热器顶部的风扇吸入，流过V型换热器。

2 数学模拟

2.1 控制方程组

直角坐标系下，三维粘性可压雷诺时均方程组可表示如下：

质量守恒方程：

动量守恒方程：

能量守恒方程：

式中：ρ —流体密度；SM—动量方程的源项；SE—能量方程的源项；τ —剪切应力张量；—雷诺应力；—雷诺通量。

瞬时速度U满足：

式中： —时均速度；u —脉动速度。

平均总焓为：

式中：k —— 湍动能。

采用理想气体状态方程封闭方程组：

式中：w —气体分子量；R0—通用气体常数。

2.2 多孔介质模型

目前的计算能力还无法完全求解全部翅片内的流场，故换热器区域被简化为多孔介质。采用了CFX[8]中的通用损失模型进行计算，该模型可以模拟通过各项异性多孔介质区域的流动。动量方程的源项可以被用来模拟多孔介质中的损失。

2.3 湍流模型和壁面处理方法

1)k-ε湍流模型

计算采用标准k-ε湍流模型考虑湍流的影响。k-ε湍流模型是用来确定湍流粘性的涡粘性模型。

2)壁面处理法

对高雷诺数湍流模型，壁面均采用改进壁面函数法处理，它允许在壁面附近使用较密的网格来进行模拟而不用再考虑雷诺数的变化。改进壁面函数法的基本思想就是使用一个较小的值来限制所有的网格点都落在粘性底层之外，从而避免了加密网格而得不到更精确值的矛盾。

2.4 边界条件

边界条件的设置模拟实验条件，计算进口给定静压，静温和速度方向，出口给定平均速度。换热器侧面、上、下端壁做固壁处理，其它位置做对称面处理。基于有限容积法采用CFD软件CFX对N-S方程离散求解。

3 结果分析

3.1 模型验证

图2所示为换热器长度方向不同位置实验值与数值模拟结果的比较。三个位置距离换热器边缘距离分别为20cm、40cm、60cm。从图中可以看出实验值与计算结果分布趋势一致，证明模型的可靠性。

3.2 结果分析

为了便于描述，这里用符号V和夹角值表示不同夹角V型换热器，如V60代表夹角大小为60度的V型翅片管换热器。

图3比较了来流平均速度为2m/s时，V型换热器不同夹角时，V型换热器迎面风速沿换热器高度方向的分布。

图2 不同位置迎面风度沿换热器高度方向变化的实验结果与计算值比较图Fig.2 Face velocity comparison between simulation and experiment for different locations

由图3可看出，当V型换热器夹角大小不变、来流平均速度变化时，V型换热器迎面风速分布规律基本一致，并且不存在明显的其它流动现象主要因为V型风冷换热器风机位于换热器顶部，迎面风速沿换热器高度方向形成的风路长短不同，而沿V型换热器长度方向形成的风路长短相同造成的。

由图3还可看出，换热器夹角不同时，迎面风速分布沿换热器高度方向存在较大差异，随夹角增大，速度峰值沿换热器高度方向下移。对于V30的V型换热器，迎面风速沿换热器高度方向逐渐增大，速度最大值在换热器上部，最小值位于换热器下部，最大值与较小值相差约4倍；对于V60的V型换热器，换热器迎面速度分布与V30时的变化趋势一致，但是速度增大幅度偏小，较大值与较小值相差约2倍；当V型换热器为V90时，换热器迎面风速分布沿换热器高度方向基本对称，即迎面风速最大值出现在换热器中部，此分布趋势与文献[9]中V90的实验结果一致，再次证明此模型的合理性和可靠性；V120时，迎面风速沿换热器高度方向逐渐减小，最大值出现在V型换热器下部，最小值出现在上部。产生上述迎面风速分布差异的主要原因是V型换热器器不同夹角时，在相同高度处，空气经过换热器形成风路长短不同，致使空气压力分布不同。由不同夹角时，空气流经V型换热器时的压力分布图4就可以发现这样的影响结果：由图4所示，空气流经四排V型翅片管换热器后，空气在V型换热器进出口压降最大值随换热器夹角值的增大沿换热器高度方向逐渐下移，而空气压力降与空气流速直接相关，这样就必然导致换热器迎面风速峰值随夹角增大沿换热器高度方向逐渐下移。同时由图还可看出，夹角大小为90度时，风速分布较均匀。

图3 不同夹角迎面风速分布比较Fig.3 Face velocity distribution with different intersect angle

图4 不同夹角时空气压力分布图Fig.4 Air pressure distribution with different intersect angle

当V型换热器夹角大小改变时，空气流经V型换热器时的压力分布图如图4(a)～(d)所示。图4中(a)～(d)图表示V型换热器夹角大小分别是30°、60°、90°和120°时，空气相对压力分布图，图中的压力代表空气相对压力值。

4 结论

采用CFD方法对V型翅片管换热器风速场特性进行了数值研究，计算结果与实验测试值相吻合。

1) 迎面风速沿V型换热器高度方向分布不均匀，沿长度方向分布比较均匀。V型换热器夹角改变，换热器迎面风速沿换热器高度方向分布规律基本相同。

2)V型换热器夹角增大时，迎面风速峰值由V型换热器上部逐渐下移。夹角小于90度时，速度最大值出现在换热器上部；夹角大于90度时，速度最大值出现在换热器下部；等于90度时，速度最大值位于换热器中部。

3)V型换热器夹角为90度时，V型换热器迎面风速分布较均匀。

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[8]CFX5.7[M]// 使用手册. 美国. (CFX5.7[M]// user's guide.USA).

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