一种改进型百叶窗翅片的性能数值模拟研究

唐子奇

（海军驻上海江南造船（集团）有限责任公司军事代表室）

0 引言

高效化、小型化、轻量化、低成本化是导航大功率设备换热设计的发展方向，随着导航大功率装置中的电子元器件体积的小型化和紧凑式芯片的使用，使得器件的功率密度越来越高，这些热量聚集在器件周围，严重影响着器件的寿命及性能，因此需采用额外换热装置，以降低器件表面的温度。目前大功率导航设备换热装置主要以平板翅片为主，重量占需换热电子装置重量的 50%以上[1]，由于该翅片侧换热系数及空气侧压降的不理想，严重影响设备换热效果。大量国内外学者对紧凑型翅片进行了长期的研究，以期待提升电子设备整体换热性能。田晓虎等[2]利用CFD软件对百叶窗翅片空气侧流动进行模拟，仿真结果与试验值有很高的吻合度。Joen等[3]利用实验对低雷诺数状态下百叶窗翅片内部流场进行模拟分析，从层流稳定流到非定常流的研究表明翅片形状会影响漩涡的脱落状态。在强化传热方面，Guo等[4]引入了对流换热区域中速度场和温度场协同的概念, 并提出了场协同原理。但上述百叶窗翅片在结构优化及性能研究仍需要进一步阐明。

本文提出一种改进型S型百叶窗翅片，采用Fluent 软件对平板翅片、传统板式百叶窗翅片和S型百叶窗翅片进行换热性能研究，分析并对比了三种翅片换热量、压降、综合换热因子等因素。

1 数学物理模型

本文仿真模型是假设每个翅片间距及流道是均匀的，空气为不可压缩流动，忽略扁管侧对空气侧流动的影响，扁管内外恒温及空气的重力。固体部分采用铝制定常流材料，采用三维层流模型[5]。计算遵循三大控制方程。连续、动量、能量方程为

其中，ρ为流体密度，k/m3；u，v，w分别为流体x方向，y方向，S方向的速度矢量，单位是m/s；Γφ为通用变量。

由于翅片具有对称性，边界条件中对流项采用二阶迎风差格式[6]，扁管与百叶窗翅片间采用气固耦合计算[7]。以其中一个单元为研究对象，本文仿真的翅片结构参数示意图如图1所示。

图1 两种百叶翅片结构参数示意图

网格仿真采用的条件下进口温度为 308K，翅片管壁温为 338K，迎风速度为 4m/s，非结构体网格。换热性能参数定义[8]如下：

其中，T是温度变量，Tmax=Tw-Tin，Tmin=Tw-Tout。Δp是压降，h是换热系数，Nu是努塞尔数，f是平均阻力系数，Q是换热量，A是横截面积，λ是导热系数，R是热阻，u是粘度系数，De是水力半径，Pr是朗普特数。迭代收敛的指标的最大绝对值小于4×10-6。通过带入上述公式，仿真后可知网格数与换热量及压降间的曲线关系，四种不同网格尺寸沿x主流方向努塞尔数与阻力系数分布，具体参数如图2所示，四种不同网格尺寸相对误差表如表1所示。

图2 四种不同网格尺寸沿x主流方向的努塞尔数与阻力系数分布

表1 四种不同网格尺寸相对误差表

图2可已看出当网格数目为I﹑II和III时，网格数目的多少对数值计算的结果影响在工程误差范围内，由表1可以看出网格数目为II相比其他网格数目相对误差较小，因此选择网格数目II为计算基准，网格考核后数量在28万左右。同时为了保证计算的正确性，确保 各项主要残差值在10-6以下。

2 S型百叶窗翅片数值仿真分析

为了验证所提S型百叶窗翅片的性能，通过FLUENT软件进行数值模拟对比仿真实验，对文中介绍的3种翅片进行相关性能分析。实验采用上述的 II型网格。翅片宽度Lh=80mm，翅片厚度h1=1.2mm，翅片长度Ld=190mm，翅片水平间距Lp=2mm，平板长度S=18mm，翅片夹角α=27o，翅片间距Fp=2，折角θ=12o，折距（L1/(L1+L2)）为1/3。

图3 三种翅片换热量、压降与进口速度的关系

由图3（a）可知在相同速度下，S型百叶窗翅片的换热效果最好，随着速度增加，S型百叶窗翅片换热量成线性增态的趋势。由图4（b）可得三种翅片的压降随着进口风速的增加而呈指数增加。在相同的工况下，相比传统板式百叶窗翅片与平板翅片换热量、压降的对比，提出的S型百叶窗翅片换热量是传统板式百叶窗翅片换热量的 1.6～1.8倍。传统板式百叶窗翅片压降是提出的S型百叶窗翅片压降的1.15～1.23倍。

图4是在进口速度为2～7m/s的条件下，仿真S型百叶窗翅片、平板翅片及传统板式百叶窗翅片单位泵功、单位压降的换热量与进口速度之间的关系。从图4（a）可以看出在相同速度下，S型百叶窗翅片的单位压降的换热量最高，单位泵功最高。随着速度的增加，三种翅片的单位压降的换热量均减少，并趋于一定值。在相同的工况下，相比传统板式百叶窗翅片与平板翅片单位压降的换热量、单位泵功的对比，提出的S型百叶窗翅片单位压降的换热量是传统板式百叶窗翅片单位压降的换热量的1.51～1.58倍。传统板式百叶窗翅片单位泵功是提出的S型百叶窗翅片单位泵功的1.4～1.6倍。

图4 三种翅片单位泵功、单位压降的换热量与进口速度的关系曲线

图5是在对数坐标系条件下，仿真S型百叶窗翅片、平板翅片及传统板式百叶窗翅片努塞尔数及平均阻力系数在计算的雷诺数区域分别是呈线性增加和线性下降的趋势。从图5（a）可以看出，在相同的工况下，相比传统板式百叶窗翅片Nu值，提出的S型百叶窗翅片Nu值最高。Nu值分别是平板翅片的3.498～3.839倍和2.278～2.537倍。从图5（b）可以看出，S型百叶窗翅片的平均阻力系数优于传统板式百叶窗翅片。在计算区域中，S型百叶窗翅片及传统板式百叶窗翅片的平均阻力系数分别是平板翅片的2.428～2.79倍及2.76～3.1倍。

图5 三种翅片的平均阻力系数、努塞尔数与雷诺数的关系曲线

图6是S型百叶窗翅片、平板翅片及传统板式百叶窗翅片三种翅片的热性能比较。仿真结果表明S型百叶窗翅片的传热能力最好，平板翅片的传热能力最差。三种翅片的热阻随着雷诺数的增加而减少，并逐渐趋于定值。在相同工质下，S型百叶窗翅片的热阻性能是传统板式百叶窗翅片的热阻性能的1.2～1.28倍。

图6 三种翅片热性能比较

图7是传统板式百叶窗翅片、S型百叶窗翅片及平板翅片在两种不同强化因子下与压降及单位功泵的关系。仿真结果表明，当压降相等时，S型百叶窗翅片的j/是平板翅片的 2.21～2.332倍，S型百叶窗翅片的j/是传统板式百叶窗翅片j/的1.5～1.6倍；在相同功泵时，S型百叶窗翅片j/是平板翅片的2.596～2.75倍，S型百叶窗翅片j/是传统板式百叶窗翅片j/的1.53～1.62倍。由此可得S型百叶窗翅片的综合性能优于平板翅片及传统板式百叶窗翅片的综合性能。

图7 两种强化因子的关系曲线

图8是当v=5m/s时，沿y=0.0019m方向，S型百叶窗翅片与传统板式百叶窗翅片沿程阻力系数和沿程努赛尔数的分布。由 10（a）可知，在相同条件下，S型百叶窗翅片的沿程换热能力高于传统板式百叶窗翅片的换热能力；由 10（b）可知，S型百叶窗翅片的流动阻力基本低于传统板式百叶窗翅片的流动阻力。

3 场分析

为了验证所提的S型百叶窗翅片的换热性能，通过FLUENT软件性能对比仿真实验，对文中介绍的几种翅片进行场分析。实验场采用进口温度是308K，流速5m/s，翅片管带温度是338 K。

图8 沿程参数分布

图9是在相同结构参数下和相同迎风速度下，沿x、y轴方向，仿真平板翅片、传统板式百叶窗翅片及S型百叶窗翅片的流线分布。由上图可知，S型百叶窗翅片有较大的扰流、导流作用，换热性最好；平板翅片流速均匀，无扰动流存在，换热性最差。传统板式百叶窗翅片具有较小扰流、切断流场的功能，换热能很强但是压降比平板翅片高。

图9 三种翅片的x、y轴方向的流线分布

图10是在y=0.0019m，相同结构参数及进口速度为 5m/s条件下，平板翅片、传统板式百叶窗翅片与S型百叶窗翅片的温度分布。由图10（c）可知，空气随主轴向流动减少，垂直方向温度沿管壁向外逐渐减少，热边界相比平板翅片更薄，热阻更小。因此提出的S型百叶窗翅片换热量是平板翅片换热量的3.03倍，是传统板式百叶窗翅片的1.3倍。

图10 三种翅片的温度分布

图11是在y=0.0019m，相同结构参数及进口速度为 5m/s条件下，平板翅片、传统板式百叶窗翅片与S型百叶窗翅片的压力分布。平板翅片间空气阻力沿主流方向逐渐减少，传统板式百叶窗翅片间有较大的局部阻力。S型百叶窗翅片有利于液体平缓流动的导流结构。因此S型百叶窗翅片压降是平板翅片压降的2.72倍。传统板式百叶窗翅片压降是S型百叶窗翅片压降是1.1倍。

图11 三种翅片的压力分布

4 结论

本文利用Fluent软件对平板翅片、传统板式百叶窗翅片和S型百叶窗翅片进行换热性能研究，采用气固耦合传热面方法及SIMPLEC算法进行三维数学建模型，分析并对比了三种翅片的综合性能。仿真结果表明：

（1）现导航设备使用的平板翅片流速均匀，且无扰动流存在，而传统板式百叶窗翅片具有较小的扰流和切断流场的功能，具有较强的换热能，但是压降比平板翅片高；S型百叶窗翅片不仅具有较大的扰流作用，可增强换热力，而且具有导流作用，减少压降；

（2）当2

（3）S型百叶窗翅片强化传热的本质是存在改善平板翅片中的流场与温度场的协同作用。