同程式暖风芯体测试装置的水流分布研究

邱王璋，， ，,

(上海理工大学 能源与动力学院,上海 200093)

0 引言

随着我国汽车工业的发展和人们物质生活水平的不断提高，人们对乘员舱内舒适性的要求也越来越高，汽车空调作为提高乘员舱舒适性的一个重要手段被大家所广泛认可[1]。汽车空调的可靠性，是衡量汽车空调性能的重要标志。汽车空调中用于散热的暖风芯体在生产过程中用到的钎焊技术，会存在虚焊的问题[2-3],而这一问题会导致某些安装暖风芯体的汽车空调在运行一定时间后，芯体内产生漏水现象,从而影响汽车空调的可靠性。为此，提前找到虚焊的暖风芯体，并做出对应的改进措施，保证换热器产品质量并在实际使用过程中不产生泄露问题，对提高汽车空调的整体性能显得尤为重要[4]。

目前国内外对于汽车空调总成的研究主要集中在内部流场、温度场的探讨，具体到某一部分的研究主要是对蒸发器芯体、鼓风机等部件，对于暖风芯体的研究比较少[5]。对于此类换热器可靠性的研究多集中于模拟分析，对可靠性的实验研究比较少[6-8]。

针对暖风芯体的测试要求，本文首先根据装置的可行性和工作效率，初步确定了测试装置可同时测试的暖风芯体个数，通过对热水管网的水力工况的计算，并结合数值模拟进一步确定方案，设计出一套汽车空调暖风芯体测试装置。该装置能为暖风芯体营造出比实际运行流量更大、压力和温度更高的恶劣环境，从而能高效、准确地检验被测芯体的可靠性。为检测该测试装置对暖风芯体的实际测试能力，对该装置在不同热水流量、环境温度、工作压力进行实验，为该装置被用于实际检测提供科学依据，为换热器测试装置内管道的布置提供参考。

1 数值计算

1.1 热水网路的水力计算

供热管路系统按照供、回水方式的布置不同，可分为同程式和异程式系统[9]。同程式系统中，热流体经过每个环路的管道总长度相等，可消除或减轻系统的水力失调，压力损失易于平衡[10]，但其管道的初投资相对较大。异程式系统中，热流体经过每个环路的管道总长度不相等，水力失调严重，使得调节和水流量分配比较困难。

为保证管道中各支路流量分配均匀，本装置采用同程式系统[11],根据装置占地空间大小和工作效率要求，初步确定可测试暖风芯体个数为4、6、8、10个。依据汽车空调换热器相关标准，各芯体额定流量25 L/min，流速0.6～1.0 m/s，芯体尺寸为150.5 mm×28 mm×206 mm,利用流体力学水力计算的基本公式[12]。可得

式中 ΔPy——计算管段的沿程损失/Pa；

ΔPj——计算管段的局部损失/Pa；

SH——管道总阻抗/s2·m-5；

λ——管段的摩擦阻力系数；

d——管子内径/m；

ρ——热媒的密度/kg·m-3；

ν——热媒在管道内的流速/m·s-1；

ξ——管段中总的局部阻力系数。

图1 同程式系统示意图

1.2 测试装置总水量和阻力的确定

由于计算过程不能达到理想阻抗,必须结合实际的布置方案,原理图如图1所示。经计算测试6个暖风芯体时阻抗比较均匀，进出口压差较合理，但进出口温差需要进行模拟和测试，故本文只列出测试6个暖风芯体的装置系统阻抗分布表1。测试装置总设计要求尽可能减少各支路的阻力和热量损失,首先根据被测芯体额定流量确定管道总流量,由假定流速法确定各管道截面尺寸,通过阻力计算公式确定总阻力，可计算出总循环水量

Qw=mq0

(4)

式中m——被测芯体个数;

q0——单个芯体额定流量/L·min-1。测试装置总阻力包括连接管道阻力和被测芯体阻力，管道内流速为0.6～1.0 m/s时，管道阻力为4～5.1 m，被测芯体阻力为0.5～0. 7 m。

表1 同程系统阻抗分布/s2·m-5

2 仿真模拟计算

采用CFD技术对同程管道的流量分配与阻力特性进行研究，分析不同支管个数对流量分配和阻力的影响，获得相关数据。从而，利用仿真模拟所得数据对计算结果进一步确认，对设计方案进行选择和优化，再通过测试装置对计算及模拟结果进行验证，可大幅度提高装置可靠性。

2.1 模型假设

利用商用软件Fluent14.0,采用有限体积法对控制方程进行求解，管道及被测芯体中流动为湍流，采用标准函数k-ε模型，利用SIMPLE算法，且各变量的收敛精度为1×10-6。为简化模型，首先对其做如下假设：

(1)工质水为不可压缩流动，各点参数和流量不随时间变化；

(2)被测芯体形状大小完全相同，管道壁面摩擦系数均匀分布；

2.2 边界条件及网格划分处理

定义入口工质水为速度入口，给定入口速度，给定入口温度为90 ℃；定义出口为压力出口，出口背压取0。计算网格是通过软件Fluent前处理程序Gambit对整个计算区域进行划分，即采用结构化网格又采用非结构化网格，能够控制空间的网格质量大于0.85，为了验证网格无关性，在比较多个不同网格数量的计算结构后，确保计算区域网格数量不影响计算结果[13]。

2.3 模拟结果及分析

具有若干个支路的闭式管网，确定其设计流量分配是否均匀，可用进入各支路的工质水不均匀度δ[14]表示，即

δ=(|mi-mj|/mj)×100%

式中mi和mj——第i支路的流量和各支路的平均质量流量。

平均流量是指理论设计中每个支路的流量。本文主要分析了在不同支路个数及一定平均流量范围内,管道各支路流量不均匀度δ、主管进出口压差及其温差的变化特性，改变支路个数分别为4、6、8、10个，平均流量分别为20 L/min、25 L/min、30 L/min、35 L/min。设定管路中工质水的温度为90 ℃，利用仿真模拟可以得出在一定平均流量范围内及不同支路个数下，满足流量不均匀度、进出口总压差及温差要求的支管个数，以下是模拟结果如图2、图3。

图2 不同支路个数、平均流量下的流量不均匀度δ

图3 不同平均流量下主管进出口压差

2.4 模拟结果分析

相同平均流量是指理论设计中每个支路的流量相同，如测试4个和6个暖风芯体相同平均流量25 L/min时总流量分别为100 L/min和150 L/min。由图2可以看出，就每个图本身而言流量越大不均匀度略有变化但无明显变化，这是因为装置设计过程中，考虑到工程实际问题不能再加装阀门等部件从而不能使各支路阻抗完全相等。随着流量增大，当管道中流量超出装置设计流量后其不均匀度表现不是非常明显。将图2各图进行对比，在相同平均流量下随着支路个数的增加，支路不均匀度增加较明显。若装置有4个被测芯体时，总体水流流速分布比较均匀，如图2(a)，水流经三通管后流入被测芯体，各支管间最大不均匀度为3.2%；若装置有6个被测芯体时，总体水流流速分布仍较均匀，如图2(b)，最大不均匀度4.3%，满足不大于5%的要求；若有8个或10个被测芯体时水流分布明显不均匀，尤其总流量较大时，最大不均匀度大于5%，故不满足要求。

对于相同的支路个数，随着流量的增加，各支路的不均匀度无明显变化。这是因为各支路的不均匀度只与管路的阻抗分布有关，而总流量的增加只影响各支路流量的大小不影响其流量比，即各支路的流量与总流量同比例变化。流量不均匀度δ曲线成“W”型，且随着支路个数增加“W”型越明显，这是为满足主管流速必须采用变径，即在接入支管的主管1/2处变径造成该段支管流量突变，从而引起该段流量不均匀度δ增大。

从图3可得，随着入口雷诺数Re的增大，进出口总管的压差亦增大，且增大的越来越快。这是由于管路中多处三通、弯头及阀门引起流速分布和流动方向的改变，再者水流由主管进入支管中会因撞击和剪切而产生较大的漩涡区如图4，这些都会产生水头损失，并随着入口雷诺数Re增大和被测芯体个数增加该水头损失越大。

图4 测试装置模拟的流速场

经试验测试，支路平均流量和个数的增加进出口水温差无明显变化，温差小于5 ℃不影响测试效果，故无需作图说明。虽然流量增加在一定程度上增加了换热效果，支路个数增加显然增大了换热面积。但由于管道外加保温棉一方面防止直接接触管道避免烫伤，另一方面起到保温的作用。此外，热水循环路径较短,故主管进出口水温差可忽略。

3 试验测试

3.1 试验装置和方法

测试装置管材采用直径为DN65、DN40的PPR热水管，实验装置如图5所示，上下两个独立测试系统。水箱、水泵、被测芯体、回水阀、过滤器由管道连接组成循环热水系统。测试前向水箱加入一定量水，通过水箱的电加热获得高温水，由变频器改变水泵频率可获得不同流量即不同压力的循环水，从而营造出比暖风芯体实际工作更恶劣的环境，以致提前找到虚焊芯体，保证换热器产品质量。热水流经主管流入各支管，再经过被测暖风芯体后流入水箱。流量由安装在支管上的FMG83型电磁流量计(美国OMEGA公司,测量精度为±1%)逐一测量各支路流量；主管道前后断面安装Y-100BFZ型精度为1.6级的压力表(上海仪表四厂)用于测量前后压差；温度由OS540型手持式红外测温仪测量(测量精度为±1℃)。在额定平均流量25 L/min，水温90 ℃，将试验装置测试得出的数据与模拟结果进行对比分析，如图6。

图5 试验装置示意图

图6 试验值与模拟值的流量不均匀度δ对比

3.2 试验结果与模拟结果对比分析

依据水力计算和数值模拟结果搭建能够测试6个暖风芯体的测试装置,通过测得各支路流量计算出流量不均匀度δ,通过测得进出口压力计算压差。与模拟结果进行对比，由图5可见，最大不均匀度的试验值均略大于模拟值，最大不均匀度为4.7%，与模拟计算值比较吻合，但试验值的最大不均匀度较大。

在6个测试支路、平均流量为25 L/min条件下，数值模拟的主管进出口两端压差为29 kPa,试验测试结果为32～35 kPa。

3.3 误差原因分析

数值模拟结果与试验测试结果之间的误差主要原因：(1)数值结果所采用的模型是经过一定简化的，为减少网格数量，在不重要的部分网格比率较大；(2)试验中水的物性参数随着温度和压力的变化而变化，而数值模拟所采用的流动过程为恒定流动；(3)试验中管壁温度在不断变化，随着水温升高而升高，而数值模拟中管壁温度恒定不变；(4)试验中由于加工、运输等方面原因，每个暖风芯体的大小、粗糙度等不完全相同，而数值模拟中其均完全相同；(5)由于电磁流量计较昂贵，试验中用同一个电磁流量计分别测得不同试验各支路的流量，而数值模拟中测量的是同一迭代的模拟数据。

4 结论

本文通过水力计算、数值模拟并搭建出合理的测试装置，通过试验测试，得出以下结论：

(1)6个支路的测试装置并联运行，其流量不均匀度小于5%，主管进出口压差满足设计要求，进出口温差可忽略。

(2)主管进口Re的增大不影响系统支路的流量不均匀度，即各支路的流量与系统总流量同比例变化，即改变总流量不影响各支路的水流分布。主管进出口阻力随着进口Re增大而增大，随着支管个数增多而增大。

(3)同程式管道存在一定的流量分布不均匀，但在一定条件下可以满足不均匀度小于5%要求，该结果已应用到暖风芯体测试装置上。流量不均匀度曲线近似成“W”型，且随着支管个数增加“W”型越明显。