微通道换热器非对称式百叶窗翅片性能研究

缑伟隆 刘雨声 冯嘉旺 李嘉伟 李万勇 陈江平,

(1 江苏中关村科技产业园节能环保研究有限公司 常州 213300；2 上海交通大学 制冷与低温工程研究所 上海 200240)

散热器在汽车冷却系统中具有极其重要的作用，平行流换热器因结构轻便、换热性能高效，是汽车热泵空调中最常用的室外换热器，主要由集流管、扁管、翅片等结构组成。换热器翅片种类很多，生产中常用的翅片形式主要有平直翅片、锯齿形翅片及多孔翅片等，目前在车用空调中最常采用的是对称式百叶窗翅片换热器。百叶窗翅片有增大传热表面积、扰动流体边界层的作用，以此来达到强化换热的目的。因此对百叶窗翅片的研究具有重要意义。

目前，国内外学者对百叶窗式换热器传热性能开展了大量的研究工作。仿真计算方面，J.Y.Jang等[1-2]对不同角度的百叶窗翅片换热器进行研究，结果表明，变角度的百叶窗翅片换热器综合性能优于均匀角度的百叶窗翅片换热器。郭健忠等[3]提出8种变角度翅片结构，分析了5种入口风速下8种变角度翅片结构的传热因子与阻力因子，研究8种变角度翅片结构的优劣。P.Karthik等[4-5]对翅片间距、横管间距、纵管间距和百叶窗间距几何参数进行模拟计算，结果表明，横管间距及纵管间距对传热系数的影响可忽略不计，百叶窗间距过小会导致空气阻力过大，翅片间距的减小会导致阻力增大及传热系数提高。H.Huisseune等[6]对带有和不带有涡流发生器的换热器进行了三维仿真计算，M.E.Nakhchi等[7]分析了不同倾斜角度的多孔百叶窗换热器内流体流动的湍流特性和热性能，均认为强化传热的主要物理原因是管壁和区域间流体的良好混合。杨林等[8]提出一种新型斜针形百叶窗翅片，得到其窗翅的最佳布置方式，为新型百叶窗式散热器的设计优化提供理论依据。

实验研究方面，董军启等[9]提出了关于传热因子j和摩擦因子f的关联式，关联式的最大误差小于12%。A.Okbaz等[10-11]对百叶窗翅片及波纹翅片换热器行了传热和阻力特性实验，研究了空气流速、翅片间距以及管排数的影响。H.Huisseune等[12]用染料注入技术对不同开窗角度的百叶窗翅片圆管换热器进行了6种放大模型的可视化实验，结果表明，低雷诺数下，流线沿着管壁外缘；高雷诺数下，管前发展出一个马蹄形漩涡，这种漩涡会削弱传热效果。A.Nuntaphan等[13]研究了空气自然对流下百叶窗翅片换热器的整体倾角对换热性能的影响，结果表明，在35°～40° 的倾角下，换热器的传热性能提高显著。B.Dogan等[14]对双排和三排翅片的百叶窗翅片扁管换热器进行了实验研究，利用水和空气的单相对流换热实验研究了不同翅片排数的换热器空气侧的性能差距。

综上可知，国内外学者对对称式百叶窗翅片研究较多，但在非对称式百叶窗领域的研究很少，因此本文在传统的对称式百叶窗翅片的基础上，设计出6种非对称式百叶窗翅片。通过分析各个翅片的换热特性和阻力特性，来改进传统翅片结构，降低换热器所受风阻，充分利用整个换热器流道，最大程度实现冷、热流体热量交换。

1 换热器三维模型

1.1 非对称式翅片结构

百叶窗换热器整体结构复杂，对其进行完整的仿真计算较为困难，但翅片结构呈周期性变化，因此取其中一个单元结构进行仿真计算，如图1所示。百叶窗翅片的热量交换主要集中在前半段靠近进口方向，在后半段区域热量交换较少，由于翅片结构的对称性，所受风阻大小基本与前半段相同，因此换热器整体所受风阻较高。针对以上问题，在对称式百叶窗翅片的结构基础上(几何模型如图2所示，该模型的尺寸如表1所示)，提出几种非对称式百叶窗翅片结构，尺寸参数如表2所示，建立的模型如图3所示。

图1 百叶窗换热器整体结构Fig.1 Overall structure of louver heat exchanger

表1 对称式百叶窗结构参数Tab.1 Structural parameters of symmetrical shutters

图2 对称式百叶窗结构Fig.2 Structure of symmetrical shutter

表2 新型非对称式百叶窗翅片结构参数Tab.2 Structure parameters of new asymmetric shutter fins

图3 新型非对称式百叶窗翅片结构Fig.3 Structure of the new asymmetric shutter fin

1.2 网格划分

取单个百叶窗翅片进行数值计算，采用Starccm+软件进行网格划分。对换热器的扁管进行简化，在翅片的上下方建立0.1 mm×3 mm×15 mm的矩形薄板代替扁管结构。流体域设置为5.4 mm×3 mm×21 mm的长方体，建立百叶窗翅片计算域模型，如图4所示。

图4 百叶窗翅片计算域模型Fig.4 Calculation domain model of louver fin

对上述百叶窗翅片模型的翅片和空气的传热问题进行整体数值求解，因流动结构较为复杂，对不同区域进行不同的网格划分，对流体域和固体结构均进行非结构化网格计算和多面体网格划分。为了保证计算的准确度，在与固体壁面相邻的流体区域均划分了网格较密的附面层网格；因翅片厚度较薄，对翅片和上下扁管部分进行薄体网格划分。截面网格示意图如图5所示。

图5 截面网格Fig.5 Sectional mesh

1.3 网格无关性验证

采用合理的网格参数设置对计算精度及模拟结果的影响显著。本文选取A1模型进行网格无关性验证，对不同网格数量的模型进行数值计算，如图6所示，当网格数大于300万时，网格数量对换热量的影响基本不变。综合考虑实际计算能力和结果精度，选用划分数量约为350万的计算模型。

图6 网格数对换热量的影响Fig.6 Influence of mesh number on heat transfer

2 仿真计算及实验验证

2.1 仿真计算

2.1.1 边界条件设置

图4所示为百叶窗翅片计算域模型，具体边界条件设置如下：1)进口设置为速度进口条件，根据不同的工况设置相应的入口的速度幅值和进口温度；2)出口设置为压力出口；3)流体域的左右两侧面设置为周期性边界；4)固体部分包括翅片和上下扁管，扁管的壁面设置为恒定温度，固体域材料为铝，流体区域与固体区域之间相互耦合；5)其余未说明的壁面均设置为绝热面。

2.1.2 数据处理

对百叶窗翅片换热器在不同进口气流速度和不同的扁管温度下进行空气侧传热和阻力性能的分析，采用的数据处理公式如下：

(1)

(2)

式中：de为特征长度，m；ua为流体速度，m/s；ρa为流体密度，kg/m3；λa为空气导热系数，W/(m·K)；ha为空气侧的表面传热系数，W/(m2·K)；μ为动力黏度，Pa·s。

传热因子j的表达式[15-16]为：

(3)

式中：cpa为质量定压热容，J/(kg·K)；Pr为普朗特数，取0.7。

百叶窗翅片对流换热时空气侧的对数平均温差：

(4)

式中：TW为上下扁管温度，℃；T0为出口温度，℃；Ti为进口温度，℃。

百叶窗翅片对流换热时空气侧的表面传热系数：

(5)

式中：ma为流体流过百叶窗翅片时空气的质量流量，kg/s；A为百叶窗翅片对流换热时总的传热面积，m2。

阻力因子f的计算式[15-16]为：

(6)

式中：Δp为空气侧压降，Pa；Ac为最窄截面面积，m2。

2.2 计算结果

本文首先对对称式百叶窗翅片进行了仿真计算，将其作为对照组(A1)，分析冷却空气进口速度分别为1.5、2.5、3.5、4.5 m/s时4种工况下的百叶窗换热模型，可得到空气流经翅片区域时的速度、压力、温度分布情况，以及换热量与风阻大小，为非对称百叶窗翅片性能机理研究提供更直接的方法。然后按照相同的分析方法，对6种非对称式百叶窗翅片进行仿真计算，分析其换热性能和阻力性能的优劣。

B1、B2组为开窗数量不对称的百叶窗翅片，B5、B6组为开窗高度逐渐变化的非对称式百叶窗翅片，通过分析可知：对于B1、B2组，将开窗数量少的一侧作为进口方向其综合性能优于将开窗数量多的一侧作为进口方向；对于B5、B6组，气流沿翅片高度逐渐降低方向通入的综合性能优于气流沿翅片高度逐渐增高方向通入。因此，在后文的叙述中，默认B1、B2组开窗数量少的一侧作为进口方向，B5、B6组百叶窗高度高的一侧作为进口方向。

1)为了直观显示新型翅片相比于传统对称式百叶窗翅片的性能优劣，如图7所示，将6种非对称式百叶窗翅片传热因子曲线与A1对称式百叶窗翅片传热因子曲线进行对比，可以明显看出7条曲线的趋势基本一致，传热因子j均随气流速度的增大而减小。B1、B2组传热性能相比A1组有所提升，在进口速度为4.5 m/s时，B1、B2传热因子j比A1翅片分别提高1.2%和1.0%。说明在结构相同的条件下，适当的调整布置方式，有助于提高百叶窗翅片换热性能。B组其余翅片相比A1组换热性能均有所降低，但对于B3、B4组开窗角度可变的翅片，随着气流速度的增加，减弱效果会显著降低。在空气进口速度分别为1.5、2.5、3.5、4.5 m/s时，B3翅片传热因子分别降低28.5%、24.7%、21.6%、19.5%。因为随着进口气流速度的增大，百叶窗表面边界层遭到破坏，导致边界层厚度变薄，增强换热效果，说明开窗角度可变的设计在气流速度较大的条件下优势更显著。

图7 传热因子曲线Fig.7 Curve of heat transfer factor

2)分析各种非对称式百叶窗翅片流动性能，以相同的方法对各组翅片的阻力因子进行处理，结果如图8所示。由图8可知，7条曲线的趋势基本一致，阻力因子f均随气流速度的增大而减小。B1、B2组非对称式百叶窗翅片的阻力因子相比传统对称式百叶窗翅片A1有所增加，但增幅很小；B3～B6组的阻力因子相比A1组均显著降低，在进口速度为4.5 m/s时，阻力因子f分别降低31.9%、20.4%、30.4%、16.0%。尤其是百叶窗角度可变的新型翅片可显著降低风阻。

图8 阻力因子曲线Fig.8 Curve of resistance factor

2.3 分析讨论

2.3.1 传热分析

研究新型翅片结构设计对流道内流体流动的温度分布影响，各翅片截面的温度分布云图如图9所示。由图9可知，换热翅片上百叶窗的存在会改变流体流动的方向，增大了流体的湍流效应，破坏流体热边界层，提升不同流道内在相同截面下流体温度的均匀性，强化换热器内冷热流体热量交换效果。A1、B1、B2翅片的整体温度分布基本一致，流体与换热器翅片壁面的热量交换主要发生在进口段，换热流体温升较为显著。B5、B6翅片的热量交换也集中在气流进口段，但由于后半段翅片结构的设计，热量交换不显著，后半段翅片维持较高的温度。B3、B4翅片在进出口处没有明显的温度梯度变化，而且整个翅片沿流动方向相比其他翅片换热更加均匀，符合对新型翅片换热器的要求。

图9 翅片温度分布云图Fig.9 Temperature contours of fin

为了更好的说明非对称式翅片结构设计对换热均匀性的影响，本文分析了不同翅片结构设计对流道内温度场变化的影响。沿着翅片气流方向从进口到出口设置5个监测面，分别为0 mm面(进口面)、3.75 mm面、7.5 mm面、11.25 mm面和15 mm面(出口面)，如图10所示。测量不同截面的平均温度，如图11所示。对比三种新型翅片与传统对称式百叶窗翅片的温度变化曲线可知，百叶窗开窗角度可变的B3翅片温度曲线更加平直，说明温度变化更均匀，在整个翅片上热量交换不存在明显集中部位；B5非对称式百叶窗翅片前半段温度增长较快，后半段温度增长较慢，说明B5翅片换热不均匀，热量交换主要集中在进口段。

图10 温度监测截面的选取Fig.10 Selection of temperature monitoring section

图11 监测面平均温度Fig.11 Average temperature of monitoring surface

2.3.2 流动分析

分析气流在流道内的流动情况，进口速度为4.5 m/s时各翅片的压力分布云图如图12所示。左侧为进口，右侧为出口。由图12可知，对于风阻较大的A1、B1、B2翅片，阻力在进口处较为集中，在翅片出口处也有显著的压力梯度变化。原因是在进出口处，气流遇到较大的转折角，由于翅片破坏气流边界层的作用受翅片开窗角度θ的影响，θ越大，即转折角越大，破坏气流边界层的作用越强，所受风阻也相应增大。对于开窗角度变化的B3、B4翅片，进出口处的阻力分布较为均匀，没有明显的风阻集中现象，说明百叶窗角度可变的换热器翅片设计对局部阻力的控制具有显著优势。对于B5、B6翅片开窗高度逐渐降低的非对称式百叶窗，风阻主要集中在前半段，在后半段压力降低不显著，尤其是B5翅片，在后半段所受风阻很小。因为对于B5、B6开窗高度可变的翅片设计，在后半段百叶窗高度逐渐降低，空气与翅片的接触面积减小，气流流动更平顺，风阻也相应降低。

图12 翅片压力分布云图Fig.12 Pressure contours of fin

综上可得，B组非对称式百叶窗翅片B3～B6虽然降低了一定的传热能力，但可显著降低风阻，尤其是B3、B5翅片风阻降低更显著。在换热均匀性方面，B3翅片相比于传统翅片和其他新型翅片，换热更均匀，不存在换热集中在特定位置的问题。因此对于流阻要求较为苛刻且对换热要求均匀的场景，B3翅片的设计具有显著优势。

2.4 仿真模型验证

为验证数值模拟的可靠性进行实验研究。通过3D打印建立百叶窗整体换热器模型，如图13所示，在风量台架上进行风阻测试。

图13 整体换热器实验模型Fig.13 Experimental model of integral heat exchanger

为验证本文CFD仿真结果的可靠性，将所得的实验结果进行处理，计算得到单个换热器翅片的阻力因子，以同样的方式绘制各个非对称式百叶窗翅片的阻力因子曲线，并分析其流动性能。图14所示为百叶窗翅片阻力因子实验数据和模拟结果的对比。由图14可知，百叶窗翅片阻力因子曲线的实验结果和仿真结果的变化趋势一致，模拟值与实验值的最大误差为16%，除个别点误差稍大外，其余计算点误差均小于10%，在工程允许范围内。

图14 阻力因子实验数据和模拟结果对比Fig.14 Comparison of experimental data and simulation results of resistance factor

3 结论

为研究微通道平行流室外换热器的翅片结构优化问题，基于换热器换热机理，本文提出6种非对称式百叶窗翅片结构，对该新型翅片进行传热特性和流动特性分析，得到如下结论：

1)提出的6种非对称式百叶窗翅片结构，合理设置了百叶窗的高度、开窗角度以及开窗数量，对传统对称式百叶窗翅片换热不均，翅片局部风阻集中明显的问题进行了优化。

2)采用三维建模对百叶窗翅片进行数值模拟，得到百叶窗翅片截面处的温度分布云图和压力分布云图，研究其传热特性和流动特性，并对该新型翅片进行实验验证，实验结果和仿真结果的误差集中在10%以下，误差在工程允许范围内。

3)通过MATLAB进行数据计算，得到翅片传热因子和阻力因子曲线，与传统对称式百叶窗翅片性能曲线进行对比分析，结果表明，在进口速度为4.5 m/s时，本文设计的B3翅片的阻力因子f相比传统百叶窗翅片减小31.9%，且整个翅片换热更加均匀，不存在换热集中在特定位置的问题，适用于对流阻要求较为苛刻且对换热要求均匀的场景。