窗翅间距比和翅片厚度对斜针形百叶窗翅片式散热器换热性能的影响的研

陈金友　杨林　漆波

摘 要：对斜针形百叶窗翅片建立了三维数值计算模型，研究了斜针形翅片窗翅间距比和翅片厚度对散热器换热性能的影响。结果表明：斜针形翅片厚度越大，其传热系数和压降越大，并且窗翅间距比在0.9～1.1范围内呈现高效流动，研究结论对工程实际具有理论指导意义。

关键词：斜针形百叶窗翅片 数值模拟 翅片厚度 窗翅间距比

中图分类号：TK124 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2018）11（b）-0079-05

百叶窗翅片式散热器由于结构紧凑、换热效率高的特点被广泛的应用于能源、化工、汽车等行业。目前对于百叶窗翅片的研究主要在于翅片形式的改变及翅片结构参数的优化方面，在新型的百叶窗翅片结构方面，张丽娜等人[1]提出一种梭形百叶窗翅片，与矩形百叶窗翅片结构相比，其换热性能和流阻性能更好。王迎慧等人[2]提出一种阶梯型百叶窗翅片，阶梯型百叶窗翅片在较低雷诺数下，传热因子和摩擦因子均高于矩形百叶窗翅片，但在高雷诺数下其换热性能提升并不明显。江乐新等人[3]对纵翅片结构形式进行了研究，发现百叶窗翅片间距越大，其进出口温度差和压降越小，翅片窗翅角越大，其压降越大。针对百叶窗翅片的结构参数，各国学者也进行了大量的研究。寇磊[4]、周益民[5]、Hsieh[6]等人对百叶窗翅片窗翅角进行了研究，发现在一定的雷诺数范围内，窗翅角均存在着最优值，同时，Hsieh发现在百叶窗翅片换向区两侧翅片变角度分布会对传热性能产生很大的影响，并且杨凤叶等人[7]经过分析会后提出了新的变角度窗翅角结构。田晓虎等人[8]对百叶窗翅片间距进行了分析，发现随着百叶窗翅片间距的增加，冷凝器的换热系数和压降均在减小。此外，寇磊等人[9]发现，随着百叶窗翅片间距的增大，其j、f因子均是先增大后减小的趋势，且在研究的百叶窗翅片间距范围内出现极值。本文主要研究新型斜针形百叶窗翅片斜针角度和百叶窗翅片间距对换热性能的影响，为工程应用提供理论指导。

1 模型的建立及边界条件的设置

针对斜针形百叶窗翅片建立了物理模型，结构如图1所示，具体结构参数如表1所示。

流体传热都应满足三大守恒方程，即动量守恒、质量守恒和能量守恒，其控制方程如下[10]：

为减少计算的工作量，提高计算速度，取计算区域的一半进行计算。百叶窗翅片迎面风速为3～8m/s，通过以百叶窗翅片间距为特征尺寸计算得到雷诺数在400～1200范围内，因此确定计算模型为层流模型。本文建立的斜针形百叶窗翅片模型假定为稳态不可压缩流动，具体边界条件的设置如图2所示，采用速度进口和自由出流出口，空气进口温度为308K，冷却扁管壁面温度为358K，设上下表面为周期性边界，流动方向的中心剖面设为对称面，斜针形百叶窗翅片表面设为耦合传热面。流体和固体计算区域采用三棱柱网格，同时对斜针角等局部进行了网格加密，整个计算区域网格数量达到76万，同时进行了网格无关性检测，网格质量控制在0.68，流体区域网格划分如图3所示。

2 数值计算结果与经验关联式结果比较

在对斜针形百叶窗翅片的结构参数进行研究之前，需对数值模型进行验证，本文以Chang，et al[11，12]关联式作为参照，将数值计算结果与关联式计算结果进行比较，验证模型的正确性。此处数值计算参数为：斜针角10°、百叶窗间距和翅片间距分别为1.7mm、1.2mm，数值计算结果与关联式结算结果对比如图4所示。

由图4可知，j、f因子均随着雷诺数的增加而减小，并且雷诺数在400～600范围内，数值计算值与关联式计算值相差较大，随着雷诺数的增大，两者的差值越来越小。通过计算发现，数值计算与关联式计算的、因子平均偏差分别为2.06%和13.46%，均在工程允许偏差20%之内，其结果能够满足工程要求。

3 窗翅间距比和翅片厚度对斜针类型翅片换热性能的影响

3.1 窗翅间距比对斜针形翅片换热性能的影响

在研究百叶窗翅片散热器结构参数对传热性能的影响时，往往都是单独的分析各个参数的影响，但在实际研究过程中发现，有一些参数并不是孤立单一的作用，而是与其他结构参数同时作用，相互影响。因此本文将百叶窗间距与翅片间距结合起来，考虑窗翅间距比对斜针形百叶窗翅片的影响。

本文主要考虑窗翅间距比对传热性能的影响，对于翅片间距和百叶窗间距采取确定一个参数，变化另一参数来研究的方法进行，这里通过变化翅片间距来进行计算，因此结构参数选取如下：窗翅角θ=27°、斜针角α=22°、百叶窗间距Lp=1.7mm、翅片厚度δ=0.1mm。通过变化12组不同的翅片间距，得到Lp/Fp的范围：0.61～1.7，不同翅片间距下间距比的值如表2所示。

图5为不同迎面风速下，斜针形百叶窗翅片传热系数和压降随窗翅间距比值的变化情况。由图可知，迎面风速为7m/s时，斜针形百叶窗翅片的传热系数和压降均为最大，且在不同风速下，传热系数与压降都是随着窗翅间距比的增大而增大。通过计算分析发现，在间距比值为1.52时，3种迎面风速下传热系数出现极值，即在一定雷诺数范围内，存在最佳的窗翅比使得斜针形百叶窗翅片的换热能力最强。文献[13]指出，百叶窗翅片散熱器内部流体流动存在着低效和高效流动，并且这两种流动与创翅间距比有关。对于本文研究的斜针形百叶窗翅片，高效流动发生在窗翅间距比为0.9～1.1范围内。相对于普通百叶窗翅片，斜针形百叶窗翅片有效流动的范围更大，且高效流动的窗翅间距比更大，这也从侧面说明斜针形百叶窗翅片的综合换热性能优于普通百叶窗翅片。

3.2 翅片厚度对斜针形翅片换热性能的影响

为研究翅片厚度对斜针形翅片换热和流阻性能的影响，本文分别对五种不同翅片厚度Fh斜针形翅片建立了数值计算模型，主要结构参数为：窗翅角θ=27°、斜针角α=22°、百叶窗间距Lp=1.7mm、翅片厚度δ=0.1mm。五组Fh值呈以0.02为公差，首项为0.06的等差数列，其值分别为0.06mm、0.08mm、0.1mm、0.12mm、0.14mm。

图6为不同翅片厚度下，斜针形百叶窗翅片温度等值线分布图，图中从上至下翅片厚度依次为0.06mm、0.1mm、0.14mm。从图中可以清楚地看到，当迎面风速一定、进口温度一样的情况下，空气经过不同厚度的斜针形翅片后，空气流体的出口温度发生了变化，翅片厚度越厚，其空气出口温度越高，换热效果越好。为进一步研究翅片厚度对斜针形翅片换热性能的影响，对不同迎面风速、不同翅片厚度的斜针形翅片进行数值计算，其传热系数和压降随迎面风速的变化如图7所示。

从图7中可以清楚地看到，不同斜针形翅片厚度下的传热系数和压降均随着迎面风速的增大而变大，并且斜针形翅片厚度为0.14mm时，传热系数和压降最大，在翅片厚度为0.06mm时，传热系数和压降最小，这说明斜针形翅片厚度越大其换热能力越强。通过计算可知，翅片厚度为0.14mm与翅片厚度为0.06mm的传热系数最大相差21.93%，而两种翅片厚度下的压降最大相差为12.3%，说明斜针形翅片厚度对换热系数的影响大于压降的影响。分析产生这种现象的原因：从斜针形百叶窗翅片的结构来看，当翅片厚度增加时，在散热器外形尺寸一定的情况下，斜针形翅片厚度的增加会使空气流经的通道变小，因此其压降会增大。同时，在流通空气质量一定的情况下，流通面积的减小会使流体的流速增大，在单位时间内流经翅片表面的空气会增加，这样更有利于换热，因此翅片厚度的增加会使传热系数相应的增大。

4 结论

本文通对斜针形百叶窗翅片进行了数值计算，并对斜针形翅片厚度及窗翅间距比等结构参数对百叶窗翅片散热器换热性能的影响进行了研究，得到了以下结论。

（1）将数值计算结果与经验关联式计算结果进行了比较，两种计算方式下j、f因子平均偏差分别为2.06%和13.46%，满足工程误差要求，证明了数值计算方法的可行性。

（2）建立了12组不同窗翅间距比计算模型，窗翅间距比范围为0.61～1.7。计算发现传热系数和压降变化趋势都是随着窗翅间距比的增大而增大，但当间距比值为1.52时，传热系数出现极大值，并且斜针形散热器内的高效流动发生在窗翅间距比为0.9～1.1范围时。

（3）对5种不同翅片厚度进行了数值计算，发现随着翅片厚度的增大，压降和传热系数均增大，且在相同迎面风速下，最大压降与最小压降、最大传热系数与最小传热系数的差值分别为12.3%、21.93%，这也说明翅片厚度的增加能提升斜针形百叶窗翅片散热器的换热性能。

参考文献

[1] 张丽娜，刘敏珊，董其伍.梭形百叶窗结构内传热强化数值分析[J].工程热物理学报，2012，33（2）：323-325.

[2] 王迎慧，薛成成，胡自成，等.阶梯型百葉窗翅片的热力性能分析[J].江苏大学学报：自然科学版，2014，35（4）：403-407.

[3] 江乐新，黄明登，范国荣.纵翅片结构形式对管换热器性能的影响[J].化工进展，2014，33（8）：1963-1969.

[4] 寇磊.紧凑式换热器传热和流动特性的数值模拟[D].中南大学，2009.

[5] 周益民，董军启，陈江平.百叶窗翅片传热与流动的三维数值模拟[J].节能技术，2007（2）：141-144.

[6] Hsieh C T， Jang J Y. 3-D thermal-hydraulic analysis for louver fin heat exchangers with variable louver angle[J]. Applied thermal engineering，2006，26（14）：1629-1639.

[7] 杨凤叶，赵鹏飞，周光辉.新型变角度百叶窗翅片换热器的性能研究[J].低温与超导，2015（6）：84-88.

[8] 田晓虎，李隆键，童明伟，等.车用百叶窗翅片式热交换器空气侧性能的CFD研究[J].天津理工大学学报， 2007（2）：63-66.

[9] 寇磊，廖胜明，刘玉涵.百叶窗翅片传热特性的数值模拟[J].建筑热能通风空调，2009（1）：6-9.

[10] 王福军.计算流体动力学[M].北京：清华大学出版社，2004.

[11] Chang Y J，Chang W J，Li M C，et al.An amendment of the generalized friction correlation for louver fin geometry[J].International Journal of Heat and Mass Transfer，2006（49）：4250-4253.

[12] Chang Y J，Wang C C.A generalized heat transfer correlation for louver fin geometry[J].Int J Heat Mass Transfer，1997，40（3）：533-544.

[13] Howard P. Preliminary report on flow visualization studies on a two-dimensional model of a louvered fin heat exchanger[R]. Penn State Project Report，1987.