流道进口大小对风机流场及换热器的影响研究

刘 斌, 王玉琳, 王 正, 刘志峰, 黄海鸿

(合肥工业大学 机械与汽车工程学院,安徽 合肥 230009)

流道进口大小对风机流场及换热器的影响研究

刘 斌, 王玉琳, 王 正, 刘志峰, 黄海鸿

(合肥工业大学 机械与汽车工程学院,安徽 合肥 230009)

针对设置有低温换热装置和轴流风机的矩形流道,为了合理匹配风机与矩形流道的特性,保证流道内高效地换热,文章采用粒子图像测速(particle image velocimetry,PIV)技术研究了轴流风机出口流场随流道进口宽度的变化规律,并对流道内换热器的整体换热量进行了计算。实验结果表明:随着流道宽度的增加、流道阻力的减小,风机出口流场由径向向轴向转变,转变过程极短,但流场状态基本保持不变,在叶顶对应的主流和中心回流之间均存在涡流,随着向下游的发展迅速耗散;在受限进风条件下，风机前后大压差阻碍气流的轴向运动,叶片周向作用力为气流提供周向速度,当形成的离心力大于叶片的径向力时,将改变风机出口气流的流向;蒸发器的换热量并不随进口宽度的增加而线性变化,但气流流动阻力的减小加强了与蒸发器的热交换,导致换热量总体增大。

矩形流道;轴流风机;粒子图像测速(PIV)技术;出口流场;换热量

设置轴流风机与换热器的矩形流道广泛存在于各种机电产品的散热结构中,如间冷式冰箱的蒸发室和大规模集成电路的散热结构,其主要通过轴流风机带动空气产生强制对流换热,因此风机性能是影响换热性能的主要因素之一。轴流风机的运行工况包含设计工况与非设计工况,虽然轴流风机是按最佳工况设计的,但在实际工作中其工况点往往由风机性能和外界阻力共同决定,过大的流动阻力会导致风机工况点向大压头小流量方向变化[1],即风机工况点在性能曲线上向左偏移,使风机运行在非设计工况下,不仅降低了工作性能,而且影响流道内换热器的换热性能。因此,研究非设计工况下轴流风机流场特性对改善风机性能和提高换热器效率具有重要意义。

目前国内外有不少关于轴流风机在不同工况下的流场和换热器的研究。文献[2]采用粒子图像测速(particle image velocimetry,PIV)技术对轴流风机在旋转失速条件下叶片通道内的流场进行观察,发现旋转失速单元的转速是叶轮转速的65%;文献[3]采用PIV技术研究了在压力峰值工况下周向弯曲轴流风机叶顶泄漏流动现象,发现与设计工况相比,泄漏涡的产生和破碎更早,具有明显的瞬态特性;文献[4]研究了轴流风机在非设计工况下叶顶泄漏流动和尾迹流动,发现随着流量减小,泄漏涡核向上游移动并阻碍了叶顶尾迹流的形成,随着流量的增加,涡核与吸力面干涉最终导致吸力面速度波动很大;文献[5-6]采用双激盘理论研究了轴流风机在进气畸变条件下对风机内部流场和工作性能的影响,发现畸变流场具有很强的三维性,就风机性能而言存在一种合理的进气速度分布;文献[7-8]利用热线技术研究了非设计工况下具有周向弯曲叶片的轴流风机对流动的影响规律,基于径向平衡方程揭示了弯曲叶片对边界层的控制作用;文献[9]研究了轴流风机对换热器性能的影响,发现轴流风机的转速对于法向的速度分布没有太大的影响,并分别计算了风扇放置于换热器前端和换热器后端时换热器各部分的热流密度;文献[10]采用EVAP-COND软件计算分析了双排管两流路蒸发器性能,结果表明,风速分布越均匀,蒸发器换热量越大;文献[11]的研究结果表明矩形翼涡发生器产生的径向涡和定向流的冲击是换热器传热加强的最重要的原因,改变翼涡发生器的结构可优化传热性能。

以往研究多集中于叶顶泄漏流动、流场参数和换热器结构对换热的影响,而关于气流流动阻力导致风机工作在非设计工况下流场以及对流道内换热影响的研究则较少。本文对于截面长宽比大于5的狭窄流道结构,采用对流道进口遮蔽的方法改变进口宽度大小,调节流道阻力;采用PIV技术研究轴流风机在不同工况下出口流场特性及其对流道内传热性能的影响。

1 几何模型

机电产品中的矩形流道可简化为矩形流道与换热器的组合结构,矩形流道、轴流风机和换热器装配结构示意图如图1所示,其主要由蒸发器、轴流风机、电动机盒以及支架组成。其中,流道长、宽、高分别为434、80、424 mm,截面长宽比为5.4,轴流风机中心距离蒸发器顶部75 mm,叶顶间隙为4 mm。

图1 矩形流道、轴流风机和换热器装配结构示意图

轴流风机的设计参数见表1所列。

表1 轴流风机设计参数

2 风机流场随进口宽度的变化规律

2.1 PIV测试系统

实验采用丹麦DANTEC公司生产的Flowmap1500型二维PIV流场测试系统,该系统主要包含时序控制器、计算机及PIV应用软件、图像记录仪以及光学照明4大部分。实验过程中采用2台双谐振脉冲式Nd∶YAG激光器作为光源,波长为532 nm(绿光),最大工作频率为15 Hz,通过柱面镜将光束转变为1～2 mm片光源,照亮含有示踪粒子的待测量面,采用电荷耦合元件(charge coupled device,CCD)相机连续捕捉2帧相邻图像后通过Flowmap软件对图像进行处理,其中CCD相机分辨率为1 280×1 024像素。示踪粒子的选择要保证良好的跟随性且无毒无害,本文选择液体石蜡作为示踪粒子,通过烟雾发生器将其生成烟雾并均匀地加入到流场中,整个PIV系统构成如图2所示。

图2 PIV系统原理图

2.2 测试方案

由于流道内部空间较窄以及壁面的阻挡作用,本文只对轴流风机出口流场进行测试。对于风机出口区域,主要测量沿轴向方向的子午面。为消除流道壁面和风机的反光,采用哑光漆进行喷涂,为了保证对图像的有效处理,避免风机叶片被激光照射时出现反光影响,实验中测量面的起始位置位于风机的出口,如图3所示。测量面高度覆盖整个风机叶片,约为风机直径的2倍,长度方向约为风机直径的2.5倍。

为了研究流道阻力对风机流场的影响,在保证流道进口截面长度不变的情况下,采用透明玻璃板对流道进口遮蔽的方法改变流道进口宽度的大小,从而改变流道阻力,从2 mm宽度以2 mm的增量逐渐增加至20 mm。在额定电压下采用转速仪对风机转速进行测量,转速随进口宽度的变化曲线如图4所示。

由图4可知,随着进口宽度的增加,转速呈现逐渐上升的趋势,最大转速较最小转速升高约10%。特定的转速对应特定的风机流场,即随着宽度的增加,流道阻力的变化导致风机工作点也随之变化;当进口宽度达到12 mm后转速变化平缓,说明此时阻力为风机特性转变的一个临界点。

图3 测量面的布置

图4 转速随进口宽度的变化曲线

2.3 出口流场分析

不同进口宽度下风机出口子午面内流场和涡量分布如图5所示。在实验过程中发现，当进口宽度小于10 mm时流场具有相同的特点,因此图5中只列出了从10 mm宽度开始的流场信息。

由图5可以看出,当流道进口宽度小于12 mm时,流场分布很不均匀,风机出口气流直接沿径向流出,表现出离心特性,在风机叶根处伴有明显的回流,该回流渗入到沿径向流动的气流中循环并在叶片下游形成涡流;当进口宽度大于12 mm时,流场迅速发生变化,风机出口主流沿轴向流动,风机中心区域为气流的回流,此时流道阻力的减小对风机下游流场影响较弱；当风机出口气流由径向转变为轴向后,流场状态基本保持不变,风机叶顶的主流与叶轮中心区域的回流之间存在大量涡流,随着气流向下游的发展,主流和回流间的相互作用减弱,涡流快速耗散。

当出口气流沿径向流出时,出口流速较高,约为轴向运动时的2倍左右,这主要是因为气流沿径向流出时,流速主要依靠气流产生的离心力提供,而沿轴向运动时主要依靠叶片的推力产生。

图5 不同进口宽度下出口子午面内速度矢量和涡量分布

从涡量图可以看出,当风机出口气流的流向为径向时,流场中出现较强的涡流,其涡量值较高,而随着流道进口宽度的增加,流场中的涡流强度逐渐降低,涡量逐渐减小。

涡流的存在及其强度的变化影响着流场中的噪声,因此随着进口宽度的增加、阻力的减小,轴流风机噪声逐渐降低。

2.4 流场变化机理分析

从流场分析结果可以看出,不同进口宽度下风机出口流动表现出轴向和径向2种流动特性。风机出口气流流动状态主要与出口处压力梯度有关[12],而压力梯度由气流在径向上受到叶片的径向力和旋转产生的离心力共同决定,根据完全径向平衡方程,可得:

(1)

其中,ρ为气流密度;p为静压;vu为半径r处周向速度;Fr为叶片径向力。方程(1)从左到右分别表示径向压力梯度、流体旋转产生的离心力以及流体受到叶片的径向力。

具有一定安装角的风机叶片对气流产生周向作用力,带动气流周向运动并产生离心力。在进口宽度较小时,由于流道水力直径很小且换热器的存在导致阻力较大,风机的做功能力一定,气流则利用叶顶做功的能力克服阻力,使气流向较高叶顶处流动,导致周向速度增大,从而使得气流旋转产生的离心力增大。对于给定的风机,径向力是一定的,当离心力大于径向力时,气流沿径向运动,且最先从叶顶开始。

当流道进口宽度较小时,较小的水力直径及换热器的阻碍使风机工作在受限进风条件下,风机叶片前后压差比自由进风时大,形成大压差条件。当进气压力低于一定程度时,风机出口压力与背压相平衡,导致风机出口整体速度值较小,阻碍了气流的轴向流动；而气流的离心力导致主流沿径向运动,且叶根处的回流随着径向流动的气流流至叶顶。当流道进口宽度继续增加到临界点时,流道阻力减小,风机出口压力增大,轴向速度增大从而恢复轴向运动。

以上2种机制综合作用导致在进口宽度较小的条件下风机出口气流出现径向流动,当风机前后压差减小时恢复正常。

3 流场变化对换热性能的影响分析

流场和温度场是相互耦合的,过大的流动阻力阻碍空气的流动,导致流道内气流流动损失增大,影响其与流道内换热器的换热效率。

3.1 实验装置

为了研究矩形流道约束下轴流风机流场变化对蒸发器传热的影响,搭建了低速气流流动与传热实验台,如图6所示。

图6 矩形流道内低速气流流动与传热实验台

该实验台包括压缩机、冷凝器、毛细管以及蒸发器,制冷剂为R600a。其中,压缩机为Embraco公司的EMB55CLC型定频压缩机,排量为9.05 cm3/r;冷凝器散热面积为0.488 4 m2;毛细管内径为0.8 mm;蒸发器为翅片结构,散热总面积为1.961 m2,管排数为6。

3.2 结果分析

采用PT100热电阻温度传感器对蒸发器进出口、流道进口以及风机出口的空气温度进行测量,测量精度为±0.1 ℃,测试结果见表2所列。

表2 流道进口、风机出口及蒸发器出、入口测量温度 ℃

蒸发器换热量的计算公式为：

(2)

其中,Q为换热器的换热量;W为流体的质量流量;H为单位质量流体进出口的焓值,流体焓值根据温度可由压焓图查询。

根据表2绘制出的进出风温差曲线和根据(2)式计算出的换热量如图7所示。

图7 换热量和进出风温差随进口宽度的变化

从图7可以看出,进出风温差在3～7.2 ℃之间,差别较大,在进风宽度较大时呈逐渐减小的趋势,这主要是流量增大的结果;换热量随进口宽度的增加呈现出震荡上升的趋势,最大变化了6.3%。换热量随流道阻力的变化并不是线性变化的,这主要是由于阻力增加的同时气流扰动也增强,从而导致换热增强;同时在矩形流道大阻力条件下,非设计工况下流场的不稳定导致换热量的不稳定,从而出现震荡的趋势,但流道阻力的减小使得空气与蒸发器的热交换有所加强,导致换热量总体增大。

4 结 论

(1) 对于狭窄的矩形流道,随着流道宽度的增加,流道阻力减小,风机出口流场由径向向轴向转变,转变过程极短,过渡区间极小,该特性对于此类流道的设计具有一定的指导意义。

(2) 风机出口气流沿径向流动时,气流流速和涡量值较高。当出口气流由径向转变为轴向后,流道阻力对风机下游流场的影响较弱,流场状态基本保持不变,叶顶对应的主流和回流之间存在大量涡流,随着向下游发展快速耗散。

(3) 流道进口的限制及换热器的阻碍使风机工作在受限进风条件下,风机前后形成的大压差阻碍气流的轴向运动,叶片旋转带动气流产生周向运动,当形成的离心力大于径向力时,促使气流沿径向运动;当流道进口宽度增加,流道阻力减小后风机出口压力增大,气流恢复轴向运动。

(4) 蒸发器的换热量并不随着进口宽度的增加而线性变化,非设计工况下流场的不稳定性导致换热量呈现震荡的变化,但气流流动阻力的减小加强了空气与蒸发器的热交换,导致换热量总体呈现增大的趋势。

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(责任编辑 胡亚敏)

Study of the effect of channel inlet size on flow field of fan and performance of heat exchanger

LIU Bin, WANG Yulin, WANG Zheng, LIU Zhifeng, HUANG Haihong

(School of Machinery and Automobile Engineering, Hefei University of Technology, Hefei 230009, China)

In order to reasonably match the characteristics of axial fan and rectangular channel, guarantee the high efficiency of heat transfer in the rectangular channel, which is set with heat exchanger and axial fan, the changing laws of flow field at downstream of axial fan under different inlet width of channel are studied using particle image velocimetry(PIV) technique, and the quantity of heat transfer is also calculated. The results show that with the decrease of the resistance due to the increase of inlet width, the outlet flow field of fan is changed from radial direction to axial direction, and the transition process is very short, but the flow state remains unchanged basically, vortex exists between the main flow in the tip and the backflow in the center and dissipates quickly with the development of the downstream. The large pressure difference between fan inlet and outlet hinders the axial flow of air under restricted air intake conditions, and the force on the air provides the circumferential velocity, when the centrifugal force is greater than the radial force, the direction of air flow will be controlled. The heat exchange of evaporator is not linear with the increase of inlet width, but the overall heat transfer rate increases due to the decrease of flow resistance.

rectangular channel; axial fan; particle image velocimetry(PIV) technique; outlet flow field; heat transfer rate

2015-06-30；

2015-07-28

国家自然科学基金资助项目(51346004)

刘 斌(1991-),男,江西南昌人,合肥工业大学硕士生; 刘志峰(1963-),男，陕西宝鸡人，博士，合肥工业大学教授，博士生导师； 黄海鸿(1980-),男，安徽安庆人，博士，合肥工业大学教授，博士生导师.

10.3969/j.issn.1003-5060.2016.12.004

TH432.1

A

1003-5060(2016)12-1602-06