新型百叶窗翅片对流换热特性研究

张丽娜，高长银，刘敏珊

(1.郑州航空工业管理学院，河南郑州 450015;2.郑州大学，河南郑州 450002)

0 引言

百叶窗翅片对空气造成扰流，从而使边界层变薄，降低热阻，所以百叶窗式空气冷却器被广泛应用于汽车空调换热器。近年来，国内外许多学者对百叶窗翅片换热器的流动、传热和阻力特性进行试验和模拟研究［1－5］。AOKI等［6］通过对百叶窗翅片传热的试验研究得到，空气流速较低，随着翅片间距的增加，传热系数降低;同时，在28°～30°百叶窗角度，传热系数达到最大值。ANTONIOU等［6］通过放大模型试验研究，发现在ReLp达到1300，流动保持层流和稳定状态;当ReLp＞1300，该第一或第二百叶窗开始湍流。TAFTI等［8］从叶窗翅片结构研究中发现，ReLp等于400时，百叶窗出口尾流处出现失稳。由于结构参数(如百叶窗角度、百叶窗间距、百叶窗长度、翅片间距等)较多，优化百叶窗翅片结构，需要很长的时间，同时试验费用较高;而数值模拟研究克服了这些困难，同时，能够获得较为详细和直观的翅片间流动与传热信息，从而被广泛应用于研究。

HSIEH等［9］利用数值模拟方法，对百叶窗翅片不同的角度下，换热器的传热和压降特性进行研究，发现不同倾斜角度相对同一种倾斜角度时，具有较高的传热特性，但还具有较高的阻力损失。PERROTIN等［10］对紧凑式百叶窗换热器进行了二维和三维数值模拟研究，发现二维模型高估了传热系数(高达80%)，使用三维模型的计算结果与试验数据非常接近。

文中在矩形百叶窗的基础上提出了梭形、矩/梭形百叶窗结构，矩/梭表示百叶窗翅片矩形长度与梭形长度的比，相邻百叶窗中间翅片部分(固体)切除，形成流体流动通道。由于在接近管壁附近，边界层较厚，梭形、矩/梭形百叶窗形状为中间较宽，从中间向管连接方向渐缩，流体在接近管连接部位速度较高，以较高流速冲刷管壁，相对矩形百叶窗而言，梭形、矩/梭形百叶窗管壁附近流体边界层较薄，具有较高的温度梯度，从而增强了管壁附近换热。文中应用FLUENT软件，对不同百叶窗结构下空气的流场、压力场和温度场进行了计算研究，分析不同Re数对换热和流动性能的影响。

1 模拟结构与边界条件

采用空调气冷器的百叶窗翅片为实际物理模型，由于结构的对称性，模拟中采用一半的百叶窗翅片长度。其结构单元百叶窗翅片如图1所示，图1(a)为矩形百叶窗结构、图1(b)为梭形百叶窗结构、图1(c)为矩/梭形百叶窗结构、图1(d)为矩形长度和梭形长度的示意图。模拟计算边界条件见图2。扁管管壁采用定壁温358 K，在与流动垂直方向上采用周期性边界条件，百叶窗固体壁面与流体进行耦合换热，流动介质选用空气，采用速度进口，进口温度为308 K，压力出口，压力速度耦合采用SIMPLIC算法，并且采用二阶迎风格式进行离散。网格划分采用结构化网格和非结构化网格相结合的技术方法，控制整个计算空间的网格质量不低于0.8，同时确保网格数量对计算结果无影响。百叶窗翅片计算模型的具体结构参数见表1。

图1 不同百叶窗翅片形状

图2 模拟计算边界条件

表1 模拟参数

2 模拟结果正确性验证

为了验证模拟方法的正确性，采取文献［10］所给结构，将模拟结果与试验值和经验关联式计算结果进行对比，所得结果见图3。

传热j因子计算公式:

式中 h——传热系数，W/(m2·K)

Pr——普朗特数

ρ——流体密度，kg/m3

u——流速，m/s

cp——比热容，J/(kg·K)

阻力f因子计算公式:

式中 Δp——压降，Pa

dh——当量直径，m，取百叶窗间距Lp

Uc——流体主体流速，m/s

Lc——流道长度，m

图3 模拟j因子与f因子与经验关联式计算结果以及试验值对比

图3为j因子以及f因子随ReLp变化的双对数坐标图，模拟结果与经验关联式以及试验值的对比，可以看出，传热特性j因子模拟值在试验值与经验关联式计算值之间，结果非常接近，由于文献中试验没有考查压力降特性，阻力特性f因子模拟结果仅与关联式计算值进行对比。从图中还可以看出，模拟结果与关联式计算值很接近，从而证明模拟方法的正确性。

3 模拟结果与分析

图4示出不同百叶窗结构传热和阻力特性的比较。可以看出，百叶窗翅片表面形状的变化，导致传热和流动特性出现显著不同。梭形百叶窗翅片间流体由于接触固体界面区域为圆弧面，与矩形百叶窗相比，降低了流动阻力，但同时也使传热面积相对减少，在一定程度上降低了换热。梭形百叶窗由于在纵向方向流体流过区域发生变化，造成纵向扰动，在近壁附近，传热得到强化。同时，在近壁区，流体以高流量冲刷管壁，使管壁附近的温度梯度增高，从而使传热强化。从图4中还可以看出，低雷诺数时，百叶窗翅片由梭形和梯形组合具有良好的传热和流动特性，具有很高的传热因子j，同时摩擦系数f也较低。其梭形和矩

图4 不同百叶窗结构传热和阻力特性的比较

图5示出不同百叶窗传热特性j因子对比。可以看出，梭形百叶窗和梭/矩(1/1)形百叶窗的传热特性j因子变化曲线比较接近，梭形百叶窗流动截面变化比较大，流体湍动程度增加，可使传热增强，但梭形百叶窗传热面积相对减小较大，这又使传热减弱，综合两方面的影响，这两种结构的传热特性基本相同。同理，矩/梭(2/1)和矩/梭(3/1)形百叶窗结构的传热特性基本相同。

图5 不同百叶窗传热特性j因子对比

图6示出阻力特性f因子的对比曲线。可以看出，4种结构相比较，梭形百叶窗的阻力特性f因子最低，矩/梭(2/1)和矩/梭(3/1)形百叶窗结构阻力特性f因子相对较高，矩/梭(2/1)形百叶窗结构的阻力特性f因子相对较低。梭形与矩形相结合的百叶窗结构具有较好的传热，但阻力系数相对较高。实际情况中，需要综合考虑传热和阻力两种特性的影响。形长度所占的比例存在一个优化的空间，使得传热和流动效果达到最好。下面对梭形和矩形不同比例组合下的传热和流动特性进行考查，优化出最优结构。

图6 不同百叶窗阻力特性f因子对比

试验和理论研究中发现，换热增强通常以阻力的增加为代价，因此有必要考察传热和流动阻力的综合热力性能［11－12］，根据 WEBB 等［13］提出的强化流道与光滑直管的直观、明确的评价指标，即相同换热面积和泵功条件下，强化流道与光管的换热量之比。流体流过换热段所需泵功为:

式中 Δp——换热段压降，Pa

V——流体体积流量，m3/s根据这个评价指标，对5种不同结构的单位面积换热量随泵功变化进行研究，见图7。

从相同泵功下，单位面积换热量对比曲线图(见图7)中可以看出，矩形百叶窗单位面积换热量相对较低。梭形和矩/梭(1/1)百叶窗结构的百叶窗单位面积换热量非常接近，矩/梭(2/1)和矩/梭(3/1)百叶窗结构的百叶窗单位面积换热量非常接近。在泵功较低时，梭形百叶窗和矩/梭形百叶窗结构单位面积换热量相差较小;随着泵功的增加，矩/梭(2/1)和矩/梭(3/1)形百叶窗结构具有较高的单位面积换热量，说明这两种结构综合性能较好。

图7 不同百叶窗综合性能对比

4 结论

对5种不同结构的百叶窗结构的对流换热特性进行模拟研究，得到以下结论:

(1)由于变截面的影响，梭形百叶窗翅片和矩形与梭形相结合的百叶窗翅片，由于沿百叶窗高度方向，流动截面发生变化，有较多流体冲刷加热壁面，从一定程度上使传热增强，同时换热面积相对矩形百叶窗减小，可使换热相对减弱，综合两种因素对换热的影响，矩/梭(2/1)形百叶窗有较高的传热特性j因子，传热性能较好。

(2)对比不同结构的阻力特性f因子，梭形百叶窗和矩/梭(1/1)形百叶窗结构具有较低的阻力，而矩/梭(2/1)形百叶窗和矩/梭(3/1)形百叶窗阻力因子相对较高。

(3)对比不同结构的综合性能，矩/梭(2/1)和矩/梭(3/1)形百叶窗结构具有较高的单位面积换热量。由于矩/梭(2/1)形百叶窗结构传热特性相对较高，阻力因子较低，同时矩形和梭形两者比例相对较低，便于制造和节省材料，建议使用此种结构的百叶窗翅片。

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