一种流体导向型组合开缝圆管翅片

李兆辉

摘 要：本文提供一种高效低阻的翅片表面，可以提高空气侧对流传热系数，提高换热器的综合性能。采用数值仿真的方法，模拟发现导向型组合开缝圆管翅片尾流区明显减小，显著的提高了管后部尾流区的传热，增强了换热器的传热性能。

关键词：导向型;组合开缝翅片;强化传热

换热器的主要用途是藉由温差进行热量的交换[1]。换热器作为空调系统中的一个重要部件，其换热和阻力性能对空调系统的能效、成本有重要的影响。在空调系统蒸发器和冷凝器中，制冷剂在管内流动，空气在管外对流传热。两器的传热热阻主要在集中在空气侧对流传热，因此通常在管外侧安装翅片增强传热。管外翅片强化传热发展历程的研究，可以分为三大阶段。第一代翅片主要是平片和波纹片，也称为表面连续型翅片。翅片表面的波纹通道对破坏流动边界层强化传热的效果较微弱。连续型翅片主要靠增加换热面积来提高换热量。专利CN201010215928.3设计了一种波纹翅片，保证了换热器较好的传热性能。文献中研究表明波纹片的传热性能优于平片[2]。第二代翅片是百叶窗和开缝翅片，也称为间断型翅片。间断型翅片通过不断破坏流体边界层增强换热。百叶窗翅片增强传热的同时带来较大的阻力损失。开缝翅片的传热系数对比平片有大幅度提升。文献研究表明，合理设计的开缝翅片传热性能优于百叶窗翅片。文献[3]比较了三种开缝桥片的传热效率，通过实验与数值研究，提出了一种蝴蝶型布置高效率的开缝桥片。第三代翅片主要是各种涡发生器翅片。如三角形翼涡发生器通过产生纵向涡二次流动，延缓边界层分离，强化圆管后部的传热来增强传热。按照文献中常见的common flow up或common flow down布置的三角形翼纵向涡发生器翅片，传热的综合性能优，但单位体积传热量小不能满足空调两器中大传热量的要求[4]。

减小边界层厚度可以增强传热，管翅片换热器圆管后部温度梯度小，温度速度协同较差，本文提供一种流体导向型组合开缝翅片，在开缝位置可以破坏流动边界层，增加传热，同时将更多的流体导入在圆管壁面上，延缓边界层分离，改善圆管后部的温度速度协同，增强传热。

图1是翅片整体结构示意图。为了强化空气侧对流传热，采用的技术方案是：包括基片、基片上开有若干翅片管孔、管孔之间有若干条型开缝。翅片管孔直径为7.3mm，縱向管间距为13.37mm，横向管间距为21mm。翅片厚度0.095mm。每一条与空气流向垂直的水平线上布置了3段条形开缝。由于翅片空气流动下游边界层较厚，为了强化传热布置了宽度更大的条缝，增加传热面积和扰动，所以在圆管尾部的条形开缝的宽度布置为1.4mm，其它5条开缝的宽度为1mm。竖缝与基片靠近管孔连接端呈弧形布置，与管孔形成环形流道，可将更多流体引导至圆管后部，延缓流体边界层分离，增强圆管后部的传热。另一方面，中间段开缝与两侧开缝桥形成通道流向指向圆管，也有利于引导流体流向圆管。

本文采用Gambit建模，模型网格数2，016，456。采用ANSYS-Fluent 16.0进行计算，流体模型选择层流，压力速度耦合采用SIMPLE算法，压力离散格式选择Standard，动量离散格式选择QUICK格式。温度离散选择中心差分格式。

图2是在相同来流速度1m/s下，采用CFD仿真模拟的某个截面速度分布矢量图，灰度代表速度大小，颜色越亮代表速度越高。图中0.5m/s以下的速度矢量不予显示以更清晰的表明圆管尾流的流动情况。图2对比了平片、百叶窗翅片、导向型开缝翅片管后部的尾流区，明显看出，百叶窗翅片优于平片，导向型开缝翅片最优。从灰度分布可以看出，导向型开缝翅片圆管附近区域流体流速更高，减缓了流体在圆管上边界层的分离，缩小了管后部的尾流区。

图3是本发明和平片、百叶窗传热性能对比图，横坐标是雷诺数Re，纵坐标是传热j因子。从图3可看出，在不同来流速度，即不同Re数下，导向开缝桥片比平片传热能力高出49%～71%，比百叶窗翅片的传热能力高出12%～16%。在不同Re数下，普通百叶窗翅片比平片传热能力高出33%～51%。

图4是在相同泵功下，本发明和平片、百叶窗翅片的性能对比图。在所考察的范围内，导向开缝桥片比平片传热性能增加了15%～40%，对比百叶窗翅片高出了10%～17%。

通过以上分析可知：组合开缝桥片充分利用了强化传热的原理，工艺易于制造，较常规平片、百叶窗翅片综合性能有较大提升。

结论

本文提供一种流体导向型高效低阻的开缝圆管翅片表面，充分利用强化传热原理，改善管后部尾流区的传热，提高了整体的空气侧对流传热系数，增强了换热器的综合性能。

参考文献

[1]王启川，热交换器设计，吴南图书出版公司。

[2]C.C.Wang，Y.M.Hwang，and Y.T.Lin，Empirical correlations for heat transfer and flow friction characteristics of herringbone wavy fin-and-tube heat exchangers，Int.J.of Refrigeration，25：653-660

[3]H.Z.Li，H.J.Wang，M.Y.Yao，L.X.Zhang，H.F.Gu，J.P.Nie，PIV and thermal-vision experimental and numerical investigation on the airside performance of slotted fin surfaces，Int.J.Heat Mass Transfer 82（2015）568-580.

[4]V.Turo，S.Shobhana，S.Kim，C.Thomas，Fin-and-tube heat exchanger enhancement with a combined herringbone and vortex generator design，Int.J.Heat Mass Transfer 118（2018）602-616.