波纹翅片传热与流动特性数值仿真分析*

王 硕，阎 凯，任智达，刘俊杰，孔丽君，胡雪婷

（1.中车大连机车研究所有限公司，辽宁大连 116021；2.中车大连机车车辆有限公司，辽宁大连 116021）

0 引言

板翅式换热器广泛应用于能源动力工程、石油化工工程、冶金材料工程、轨道交通等领域的热管理系统中。目前板翅式散热器的设计原理及方法非常成熟，针对机车及动车组用散热器已经形成了相应的行业标准[1]，规范了产品的技术要求、试验方法、表面状态要求以及检验规则。由于波纹式翅片易于加工，同时易清洗耐污脏，改善换热效果显著等特性在机车及高速动车组得到广泛应用。本文采用数值仿真方法对波纹式翅片的传热及流动特性进行研究，利用仿真数据制作波纹翅片性能评价图。

国内外的工程师及科技工作者主要集中精力优化散热翅片及改进，在热交换器的研究设计工作中，工程师大部分的时间和精力用于传热表面的设计及选用[2]。Kays和London[3]针对大量不同的板翅式换热器传热表面结构，开展了系统的实验研究，总结出40多种翅片结构的传热及阻力关联式，为传热表面的设计提供了基础参照。Kays和London简单地将传热翅片分为平直型翅片、波纹翅片、三角翅片等连续翅片；锯齿翅片、百叶窗翅片等间断型翅片。即使有多种传热表面可供选择，却不存在一种任何条件下都是性能最佳的表面。强化传热的主要方式就是通过各种手段减薄和破坏边界层，同时会引起流通阻力的增大，增加了辅助功耗[4]。数值仿真方法[5]在开发新翅片、新结构，在特定要求下寻找最优方案过程中发挥了重大作用。许伟等[6]利用CFD分析工具，进行了多种不同类型翅片的数值试验，探索翅片的传热特性。唐爱坤等[7]利用数值仿真工具探索最佳的散热器设计方案，包括翅片的类型选择、结构尺寸的规划等。Kim，G.W等[8]利用数值仿真进行了汊流式用波纹翅片的散热器分析计算优化。所有研究人员的首要研究目标是可以以较小的辅助功耗增加得到较高的换热性能的提升，研究方法目前主要是在已有的试验基础上进行大量的数值仿真研究。本文旨在一定范围内为机车及动车组板翅式换热器空气翅片选型提供参考，合理平衡不同曲率半径下的波纹翅片换热性能及辅助功率消耗。

1 数学模型及计算方法

传热和流动问题为稳态的，其变量不随时间变化，则假设：（1）流体的流动是三维、稳态、不可压缩、定物性的流动；（2）流体通道壁面温度保持不变；（3）流体在流动区域内是充分发展的；（4） 忽略辐射传热、黏性能量扩散、体力等的影响。基于上述的假设，波纹翅片的计算域内连续性方程、动量方程和能量方程的控制方程可参考文献[9]。

如图1所示的计算区域中，其边界条件为：热边界条件为常壁温65℃，给定入口空气温度40℃，出口设置常压为大气压，进口空气流量作为变量。采用低雷诺数流动黏性的RNG k-ε模型进行计算。

图1 翅片边界条件

采用二阶迎风格式对动量、能量方程及湍流动能方程进行求解，对流项采用了二阶迎风格式，扩散项采用中心差分格式。在方程的循环迭代求解过程中，对每个需求解的参数变量设定松弛因子，其中压力的迭代因子为0.3，动量的迭代因子为0.7，湍流动能的迭代因子为0.8，湍流扩散率的迭代因子为0.8，能量的松弛迭代因子设定为0.8。采用各个变量的残差作为计算收敛的判断依据，其中对连续性各方向的速度、湍流动能和湍流扩散的残差控制为小于10-6，能量的残差控制为小于10-8。

2 仿真计算结果

图2所示为波纹翅片上、下表面换热系数沿着空气流动方向的变化。从图中可以看出，沿着波纹管道长度方向，换热系数按照正弦形式波动，振荡幅值逐渐减小。

图2 波纹翅片上下表面换热系数沿翅片长度方向的变化

本文评估了波纹翅片的无量纲曲率半径对波纹管道的换热特性、能量消耗等影响。换热系数和努塞尔数代表波纹翅片传热能力。图3所示为在不同雷诺数条件下，无量纲曲率半径对波纹翅片换热性能的影响。从图中可以看到，随着无量纲曲率半径的增大，波纹翅片表面换热系数和努塞尔数减小；在高雷诺数条件下，换热系数和努塞尔数的减小趋势更加明显。

空气压降和摩擦因数反应了换热器消耗能量的情况。如图4所示，显示了在不同雷诺数条件下，无量纲曲率半径对波纹翅片能量消耗的影响。从图中可以看到，随着无量纲曲率半径的增大，波纹翅片内空气流动压降及摩擦因数减小；在高雷诺数条件下，压降和摩擦因数减小的趋势更加明显。计算结果表明在其他条件不变的条件下，波纹翅片曲率半径减小会消耗更多的能量克服流动阻力。

图3 无量纲曲率半径对波纹管道换热性能的影响

图4 无量纲曲率半径对波纹翅片流动阻力特性的影响

空气从波纹翅片中流过，从壁面吸收热量。图5所示为在不同雷诺数条件下，无量纲曲率半径对波纹翅片进出口截面处空气温度差的影响。从图中可以看出，随着无量纲曲率半径的增大，波纹翅片进出口空气温度差减小；这种减小趋势在高雷诺数条件下更加明显。进出口空气温差越大，表明空气吸收的热量越多，波纹翅片换热能力越强。计算结果表明较小的无量纲曲率半径更有利于波纹管道换热器进行换热；与图3中的计算结论一致。

图5 无量纲曲率半径对波纹管道进出口温差的影响

图6 波纹翅片性能评价图

性能评价图用于翅片换热能力与能量消耗特性进行综合评价[10]。图6所示为在不同雷诺数条件下，波纹翅片性能评价图。图中显示，随着f/f0的增大，Nu/Nu0逐渐增大，增大趋势在高雷诺数时显著；图中曲线的斜率始终小于1，表明波纹翅片与平直翅片相比，传能力增强速率低于辅助功耗增长速率。

3 结束语

本文对波纹翅片的换热及流动阻力特性进行了数值仿真，研究了无量纲曲率半径对波纹翅片传热及能量消耗特性的影响，结论如下：（1）波纹翅片无量纲曲率半径的减小可提升波纹翅片传热能；（2）波纹翅片曲率半径的减小导致波纹翅片消耗更多的辅助功耗；（3）与传统平直翅片相比，波纹翅片的传热能力增强速率低于辅助功耗增长速率。