基于Fluent的汽车空调冷凝器翅片宽度仿真分析

侯献军，云 祥，刘志恩

（1.武汉理工大学汽车工程学院，湖北 武汉 430070；2.现代汽车零部件技术湖北省重点实验室，湖北 武汉 430070）

冷凝器是汽车空调制冷时系统的高压设备，装在压缩机排气口与节流装置之间，由空调压缩机中排出的高温高压气体，进入冷凝器，通过铜管和铝箔片散热冷却，空调器中装有风冷式冷却风扇，使制冷剂在冷却凝结过程中，压力不变，温度降低［1］。冷凝器芯体部分主要由扁管和翅片组成，主要通过翅片和扁管进行换热，提高翅片与空气的换热面积可以增大换热量［2］。增加翅片百叶窗数量会增加对空气的扰动作用，产生涡流并增大流动阻力［3］。翅片百叶窗角度、百叶窗间距、翅片长度、翅片间距、扁管宽度等参数变化会对冷凝器传热和流动性能产生影响［4－7］。翅片宽度的改变，会导致压降和换热性能的改变。笔者以D310冷凝器芯体为模型，对不同宽度的翅片进行CFD分析，获得其风阻、单位面积换热量、换热系数等数据，通过分析比较，得出换热量和风阻随翅片宽度变化的规律，从而选取最合理翅片宽度，使性能最优。

1 模型的建立及边界条件的设置

1.1 控制方程

三维不可压、稳态、常物性流体流动的控制方程如下［8］:

连续性方程为:

动量方程为:

能量方程为:

式中:ρ为空气密度;λ为空气导热系数;cp为空气比热;ui、uj、uk为 i、j、k 方向的速度;xi、xj、xk为i、j、k方向的坐标;μ为动力粘度为平均压力。

1.2 物理模型的建立

冷凝器的结构如图1所示，翅片宽度和扁管宽度组成芯体的厚度，扁管中间有流动介质，而翅片通过空气流动进行换热，翅片模型如图2所示，翅片宽度是指翅片在空气流动方向上的宽度。笔者对翅片宽度进行单一参数的分析，而其他参数保持不变。由于每片百叶窗的宽度为0.92 mm，而翅片宽度的变化量为两片百叶窗的宽度，因此参照经验值，以1.84 mm的间隔，分别取翅片宽度为12.32 mm、14.16 mm、16.00 mm、17.84 mm、19.68 mm 和 21.52 mm。

图1 冷凝器结构示意图

图2 冷凝器翅片模型

采用ICEM划分网格，翅片模型计算域网格如图3所示，网格为非结构四面体网格，数量为90万个。

图3 翅片模型计算域网格

1.3 基本假设和边界条件的设置

基于Fluent的汽车空调冷凝器翅片宽度仿真主要假设有:空气为不可压缩气体；忽略重力影响；在传热过程中，由于时间很短，认为翅片的温度保持不变（实际情况下翅片温度应该略有降低）；流体在流动过程中作定常流动。

空气温度为35℃，设定的翅片温度为60℃，风速为3 m/s，翅片间距为1.3 mm，采用二阶精度，标准k－ε方程；设置进口为速度入口 ，出口为压力出口，不同翅片宽度CFD模拟仿真边界条件如表1所示。

表1 不同翅片宽度CFD模拟仿真边界条件

2 冷凝器实验验证

为了验证上述CFD仿真分析的可靠性，采用了实验台架对冷凝器模型进行实验验证，冷凝器试验台架如图4所示。实验过程中需要用到冷凝器、蒸发器、压缩机、高压管路、低压管路等空调配件以及相应的实验配件，实验条件下冷凝器和蒸发器都有各自的冷凝器室和蒸发器室，根据制冷系统的流程，所有的制冷管道需要焊配连接好，并根据要求安装温度传感器和压力传感器连接软管，温度、压力在同一位置测量，该测点应尽量位于换热器或压缩机端口的直管段，温度传感器要逆向安装。实验过程中所有的传感器测点和连接必须正确，密封性要合格，并且无工质泄漏现象。

图4 冷凝器实验台架

实验中入口冷媒绝对压力为1620±5 kPa，冷凝器前面进风温度为35℃，入口冷媒过热度为25℃，出口冷媒过热度为5℃，迎面风速为3 m/s，翅片宽度为16 mm，循环制冷剂中的冷冻机油含量5%（质量）以下的条件下，测量风阻，实验要求风阻值≤45 Pa。

冷凝器的实验结果一般是通过多次测量取平均值的方法获得，并通过多次实验来验证实验的可靠性。实验过程中会对空气侧进出口温度和压力、制冷剂侧进出口温度和压力、风阻、芯流阻、换热量、制冷剂流量等多个实验数据进行监测和记录，保证实验过程和实验结果的正确性，对冷凝器性能评估起作用的实验结果包括风阻、芯流阻、换热量等。由于是对翅片局部进行仿真计算，故采用风阻的实验结果作为对比参数，仿真结果和实验结果对比如表2所示，仿真结果和实验结果均小于45 Pa的实验要求值，在相同条件下，仿真和实验风阻的绝对误差为0.29 Pa，相对误差为0.81%，仿真结果和实验结果比较吻合，说明仿真结果可以较好地模拟真实情况，为后续工作奠定了基础。

表2 仿真结果和实验结果对比

3 仿真结果与分析

3.1 不同翅片宽度对换热性能的影响

换热量由翅片的总换热面积乘以翅片单位面积的换热量得到，风阻由进出口的压差得到。通过CFD分析可以得到的数据有进口压力、出口压力、单位面积的换热量、换热系数等。不同翅片宽度的温度分布云图如图5所示。随着芯体厚度的增加，百叶窗数量增加，空气流动区域的距离和阻挡也增加，空气进入翅片后受到百叶窗的扰动和阻力增大，换热效果变差，出口附近温度越高，空气与翅片的换热越少，从而单位面积换热量越小。随着翅片宽度的增加，空气与翅片的换热越来越不充分。

图5 不同翅片宽度的温度分布云图

3.2 不同翅片宽度对流体流动的影响

不同翅片宽度的速度分布流线图如图6所示，可以看出在相同风速条件下，不同翅片宽度下的内部流体扰动情况不同，翅片宽度越大，百叶窗数量越多，对空气的扰动越强烈，在百叶窗附近产生一系列涡流，引起流动阻力增加，扰动所产生的涡流数量越多，造成的压力及能量损失也越大。

图6 不同翅片宽度的速度分布流线图

3.3 不同翅片宽度对压力分布的影响

不同翅片宽度的压力分布云图如图7所示，随着翅片宽度的增加，百叶窗的数量增加，百叶窗对流动空气的扰动和阻力加强，通过翅片的流体受到的阻力增大，压差值逐渐增大。由图7可看出，12.32 mm翅片宽度的最大压力值为40 Pa左右，而21.52 mm翅片宽度的最大压力值为60 Pa。

图7 不同翅片宽度的压力分布云图

3.4 仿真结果分析

翅片不同宽度时的CFD仿真结果如表3所示，随着翅片宽度的增加单位面积换热量逐渐减小。每增加1.84 mm的翅片宽度，换热面积S以0.63 m2的增长量增加，总换热量 Q增长量在2.4% ～4.8%之间。

表3 不同翅片宽度CFD换热结果

不同翅片宽度换热系数h和风阻△P折线图如图8所示，从折线走势可以看出，风阻随翅片宽度的增大而增大，换热系数随翅片宽度的增大而减小，并且其变化趋势逐渐平缓。随着翅片宽度的增大，每增加1.84 mm的翅片宽度，风阻ΔP增加约3.0～5.5 Pa，换热系数 h减小6% ～10%。

图8 不同翅片宽度换热系数h和风阻△P折线图

翅片宽度增加的同时，换热系数减小，但是换热量和风阻都在增加，不便于对整体性能做出比较，因此采用h×S/△P和h/△P的比值作为比较依据。不同翅片宽度h×S/△P和h/△P值如图9所示，虚线表示其变化趋势，两条曲线都是呈下降的趋势，说明了风阻的增大趋势比换热系数及换热量的增大趋势快，翅片的整体性能在逐渐下降，不可以盲目依靠增加翅片宽度来增大换热量，否则导致风阻增长过快，同时会增加材料成本从而降低能源利用率。但是在保证风阻满足要求的情况下，并且风阻存在一定的可上升空间时，可以通过增加翅片宽度来弥补换热不足，适当提高换热量。实验中的翅片可以将宽度增加到17.84 mm，该宽度下的风阻为 41.72 Pa，小于 45 Pa，满足要求，并可以提高3.8%的换热量。

图9 不同翅片宽度h×S/△P和h/△P值

4 结论

（1）建立了汽车空调冷凝器翅片宽度的模型，完成了翅片宽度仿真分析的基本假设和边界条件设置，仿真得到不同翅片宽度的温度分布云图、速度流线图、压力分布云图，获得了不同翅片宽度下的换热和流动情况。

（2）随着翅片宽度的增加，对流动过程中流体的扰流强度也会增加，同时会增大流动阻力，导致风阻增大，并降低换热效率。每增加1.84 mm的翅片宽度，风阻增大3.0～5.5Pa，其单位面积换热量降低6% ～10%，但是换热面积以0.63 m2的增长量增加，总换热量仍然在增加，其增长量为2.4% ～4.8%。

（3）过度增加翅片宽度来增大换热量的方式会造成风阻增长过快，同时增加材料成本从而降低能源利用率，在保证风阻满足条件并有上升空间的前提下，可以通过增加翅片宽度弥补换热之不足。

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