車(chē)用散熱器百葉窗布置方式的數(shù)值模擬與分析

朱家玲，李曉光，張 偉(天津大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，天津 300072)

車(chē)用散熱器百葉窗布置方式的數(shù)值模擬與分析

朱家玲，李曉光，張 偉
(天津大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，天津 300072)

針對(duì)車(chē)用百葉窗翅片式散熱器的傳熱和流阻特性，采用數(shù)值模擬計(jì)算方法對(duì)百葉窗對(duì)稱(chēng)布置和非對(duì)稱(chēng)布置2種方式的散熱器進(jìn)行了研究分析，通過(guò)計(jì)算百葉窗翅片空氣側(cè)的傳熱量、傳熱因子和壓降，以及散熱器綜合性能評(píng)價(jià)因子，獲得了綜合性能較優(yōu)的百葉窗布置形式．結(jié)果表明，在相同的進(jìn)出口邊界和給定的幾何參數(shù)條件下，對(duì)稱(chēng)布置的百葉窗翅片具有較高的傳熱性能，但流阻性能較差．當(dāng)空氣入口速度為5.58,m/s時(shí)，與非對(duì)稱(chēng)形式相比，對(duì)稱(chēng)布置時(shí)的傳熱量提高了14.7%，壓降卻增加了29.3%；在不同的空氣入口速度條件下，對(duì)稱(chēng)布置時(shí)百葉窗翅片具有較高的散熱器綜合性能評(píng)價(jià)因子，因此，百葉窗對(duì)稱(chēng)布置時(shí)散熱器綜合性能較好．

數(shù)值模擬；傳熱；流阻；百葉窗布置方式；車(chē)用散熱器

隨著汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速和功率越來(lái)越高，其熱負(fù)荷也變得越來(lái)越大，發(fā)動(dòng)機(jī)工作時(shí)，缸內(nèi)燃油燃燒產(chǎn)生的約1/3左右的熱量需要由其冷卻系統(tǒng)帶走，散熱器是汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻系統(tǒng)最重要的組成部分．特別地，高效緊湊式散熱器在發(fā)動(dòng)機(jī)的冷卻和散熱過(guò)程中發(fā)揮了關(guān)鍵作用．百葉窗翅片式散熱器作為一種高效緊湊的換熱器，由于其良好的傳熱和流阻特性，在汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻系統(tǒng)中具有廣泛的應(yīng)用[1-4]．

汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)散熱器中，空氣側(cè)熱阻是主要的傳熱影響因素，占總熱阻的80%甚至更多．考慮到冷卻液側(cè)的表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)是空氣側(cè)的40～50倍，要求空氣側(cè)的換熱面面積要比冷卻液側(cè)高8～10倍左右，具有百葉窗式翅片的緊湊型散熱器很好地滿(mǎn)足了以上要求[5-6]．百葉窗作為一種氣流擾動(dòng)裝置，在產(chǎn)生一系列具有較低熱阻的薄層邊界層和提高散熱器總體性能過(guò)程中起到了重要的作用[7-8]．

散熱器的傳熱特性、流阻特性和材料消耗量等均是結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的重要指標(biāo)[9]．但由于散熱器翅片單元的幾何參數(shù)如翅片距、百葉窗區(qū)域布置、百葉窗角度、百葉窗距、管距等對(duì)傳熱和流動(dòng)影響的復(fù)雜性[10]，當(dāng)采用傳統(tǒng)方法研究分析時(shí)，不但費(fèi)時(shí)而且費(fèi)力．?dāng)?shù)值模擬為車(chē)用百葉窗翅片式散熱器傳熱和流阻特性的研究分析提供了便捷省時(shí)的方法[11]．

筆者主要針對(duì)百葉窗布置方式對(duì)散熱器傳熱與流阻的影響，基于Fluent軟件對(duì)汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)常用的百葉窗翅片式散熱器性能進(jìn)行了數(shù)值模擬研究與分析，并通過(guò)與文獻(xiàn)[3]中的實(shí)驗(yàn)進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果顯示數(shù)值模擬與實(shí)驗(yàn)研究基本吻合，說(shuō)明利用數(shù)值模擬方法對(duì)散熱器進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)與性能評(píng)估是可行的．

1 百葉窗翅片式散熱器幾何模型

1.1 百葉窗翅片幾何模型

汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻系統(tǒng)常用的百葉窗翅片式散熱器如圖1所示，本文研究中所采用的百葉窗對(duì)稱(chēng)布置形式的俯視圖和剖面圖如圖2所示，圖3為非對(duì)稱(chēng)形式的俯視圖和剖面圖，百葉窗非對(duì)稱(chēng)布置時(shí)選取了汽車(chē)散熱器行業(yè)中所應(yīng)用的“前疏后密”形式，即在冷卻空氣入口處布置1個(gè)百葉窗區(qū)域，而在出口處布置2個(gè)百葉窗區(qū)域．圖2和圖3所示的車(chē)用散熱器幾何參數(shù)均相同，僅百葉窗的布置方式不同．

圖1 百葉窗翅片式散熱器

Fig.1 Louvered fins heat exchanger

圖2 對(duì)稱(chēng)式百葉窗翅片散熱器Fig.2 Heat exchanger with a symmetrical arrangement of louvered fins

圖3 非對(duì)稱(chēng)式百葉窗翅片散熱器Fig.3 Heat exchanger with an asymmetrical arrangement of louvered fins

1.2 散熱器幾何參數(shù)及運(yùn)行參數(shù)

本文研究中所采用的百葉窗對(duì)稱(chēng)布置和非對(duì)稱(chēng)布置的散熱器幾何參數(shù)及運(yùn)行參數(shù)如表1所示．

表1 百葉窗翅片式散熱器幾何及運(yùn)行參數(shù)Tab.1 Geometrical and operation parameters of louvered fins heat exchanger

2 散熱器物理模型及性能參數(shù)計(jì)算

2.1 散熱器物理模型

根據(jù)Perrotin等[12]的數(shù)值模擬研究，以百葉窗距Lp為特征尺寸的雷諾數(shù)40＜ReLp＜1,200時(shí)，百葉窗翅片內(nèi)的流動(dòng)為層流狀態(tài)，若ReLp＞1,200時(shí)，將過(guò)渡為湍流狀態(tài)．為了對(duì)百葉窗翅片式散熱器的傳熱和流阻特性做出評(píng)估并確定散熱器流場(chǎng)的流動(dòng)特性，本文用數(shù)值方法分析了377＜ReLp＜855(對(duì)應(yīng)于速度為5.58,m/s到12.66,m/s的變化范圍)范圍內(nèi)的散熱器性能，利用Fluent軟件中層流穩(wěn)態(tài)模型對(duì)其進(jìn)行數(shù)值模擬研究．為了驗(yàn)證網(wǎng)格獨(dú)立性，計(jì)算中分別采用了2種粗細(xì)不同的網(wǎng)格(1,077,675和1,159,487個(gè)網(wǎng)格單元)進(jìn)行模擬，當(dāng)質(zhì)量、速度殘差低于1× 10-3，而能量殘差低于1×10-6時(shí)認(rèn)為結(jié)果收斂，2種網(wǎng)格的計(jì)算結(jié)果誤差在3%～5%之間，最終選用1,159,487的網(wǎng)格單元做分析計(jì)算．考慮到沿翅片長(zhǎng)度方向的溫度變化小，因此分析中認(rèn)為空氣流為常物性、不可壓縮且為無(wú)黏性耗散的三維穩(wěn)態(tài)流動(dòng)，管子和翅片表面的熱物理參數(shù)為常數(shù)．忽略黏性耗散，則質(zhì)量、動(dòng)量和能量的控制方程表達(dá)[13]為

式中：u為空氣速度矢量，m/s；T為溫度，K；ρ為空氣密度，kg/m3、pc為比定壓熱容，J/(kg·K)；λ為導(dǎo)熱系數(shù)，W/(m·K)；μ為動(dòng)力黏度，Pa·s．

圖4為利用Fluent前處理軟件Gambit生成的百葉窗對(duì)稱(chēng)布置式翅片單元的數(shù)值計(jì)算區(qū)域，由于翅片的對(duì)稱(chēng)性，本模擬中選取一半的翅片作為計(jì)算區(qū)域．

圖4 數(shù)值計(jì)算區(qū)域Fig.4 Computational domain of numerical simulation

由于控制方程為橢圓型，為了對(duì)其進(jìn)行數(shù)值求解，在Fluent中設(shè)置以下邊界條件[14]．

(1) 進(jìn)口：入口速度為均勻來(lái)流，入口溫度為恒定值，即

u=const ，v=w=0，Tin=298K；

(2) 出口：設(shè)定為自由出流邊界條件；

(3) 上部表面：設(shè)定為對(duì)稱(chēng)邊界條件；

(4) 左右壁面：設(shè)定為周期性邊界條件，即左右表面的溫度、速度與壓力相同；

(5) 管子壁面：設(shè)定為恒定溫度Tw=353K；

(6) 百葉窗翅片和流體區(qū)域交界面為耦合傳熱面．

2.2 散熱器性能參數(shù)計(jì)算

散熱器的傳熱和流阻性能取決于翅片幾何形狀、管排以及冷熱流體的物性等參數(shù)．在給定條件下，百葉窗翅片式散熱器的傳熱特性可以通過(guò)在相同的質(zhì)量流量和空氣入口溫度的條件下傳熱量和傳熱因子表達(dá)，基本的計(jì)算公式如下．

由能量平衡得

式中：Q為傳熱量，W；下標(biāo)c和h分別為冷側(cè)和熱側(cè)；mq為質(zhì)量流量，kg/s．

百葉窗翅片空氣側(cè)傳熱因子為

式中：Pr為普朗特?cái)?shù)；oA為空氣側(cè)總的換熱面積，mm2；TΔ為對(duì)數(shù)平均溫差，K．

通過(guò)數(shù)值計(jì)算也可以獲得散熱器的流阻特性，空氣視為不可壓縮流體，則空氣密度為常數(shù)，空氣側(cè)的壓降和摩擦因子的表達(dá)式為

式中：pin和pout分別為空氣進(jìn)出口壓力，Pa；Ac為百葉窗翅片的自由流通截面積，mm2．

為了對(duì)百葉窗翅片式散熱器的綜合性能做出評(píng)價(jià)，定義無(wú)量綱因子jf13為散熱器綜合性能評(píng)價(jià)因子，對(duì)翅片性能做出綜合評(píng)價(jià)．

3 數(shù)值模擬與分析

3.1 數(shù)值模型驗(yàn)證

為了驗(yàn)證數(shù)值模擬的合理性，按照文獻(xiàn)[3]的實(shí)驗(yàn)條件，利用本文中的數(shù)值模型對(duì)文獻(xiàn)[3]中的1號(hào)百葉窗翅片散熱器進(jìn)行了數(shù)值模擬，計(jì)算斯坦頓數(shù)和摩擦因子．結(jié)果表明對(duì)于斯坦頓數(shù)，當(dāng)雷諾數(shù)處在600～2,000的范圍內(nèi)時(shí)，數(shù)值模擬結(jié)果與文獻(xiàn)中的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)吻合良好，最大誤差為4.3%，雷諾數(shù)處于該范圍以外時(shí)，誤差較大，但最大誤差也低于10%．而對(duì)于摩擦因子，當(dāng)雷諾數(shù)為4,000時(shí)，數(shù)值模擬與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的最大誤差為14.7%．?dāng)?shù)值模擬與實(shí)驗(yàn)研究的誤差處于可接受的范圍，說(shuō)明本文中所采用的數(shù)值模型可靠，計(jì)算方法合理．圖5和圖6分別顯示了斯坦頓數(shù)和摩擦因子隨雷諾數(shù)的變化關(guān)系．

斯坦頓數(shù)表達(dá)式為

圖5 斯坦頓數(shù)的數(shù)值模擬與實(shí)驗(yàn)研究比較Fig.5 Comparison between computational and experimental results of Stanton number

圖6 摩擦因子的數(shù)值模擬與實(shí)驗(yàn)研究比較Fig.6 Comparison between computational and experimental results of friction factor

誤差產(chǎn)生的原因一方面是由于所參照的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)本身所帶來(lái)的誤差．另一方面是因?yàn)樯崞髟趯?shí)際運(yùn)行中，冷卻液在管內(nèi)流動(dòng)，并與空氣進(jìn)行換熱，而數(shù)值模擬過(guò)程中，由于計(jì)算機(jī)計(jì)算資源的限制，主要針對(duì)熱阻較大的空氣側(cè)進(jìn)行計(jì)算，所用模型為實(shí)際散熱器翅片單元的簡(jiǎn)化，即對(duì)冷卻液管子壁面設(shè)定為恒定壁溫邊界條件(第一類(lèi)邊界條件)，忽略了由于冷卻液的流動(dòng)所產(chǎn)生的對(duì)流作用，這樣的簡(jiǎn)化處理也會(huì)導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)與數(shù)值模擬結(jié)果的誤差．

3.2 散熱器數(shù)值模擬結(jié)果

由于幾何參數(shù)對(duì)百葉窗翅片式散熱器的性能有重要的影響，通過(guò)數(shù)值計(jì)算方法分析百葉窗布置方式對(duì)散熱器傳熱及流阻特性的影響．當(dāng)空氣入口速度為5.58,m/s時(shí)，對(duì)稱(chēng)和非對(duì)稱(chēng)布置的百葉窗翅片式散熱器的溫度和速度云圖見(jiàn)圖7～圖10.

圖7 對(duì)稱(chēng)式百葉窗翅片的速度云圖(垂直于y軸中心截面)Fig.7 Computed velocity contours for symmetrical arrangement of louvered fins(y axis perpendicular to the central section)

由圖7～圖10可知，在空氣入口速度為5.58,m/s，且其他邊界條件均相同的情況下，百葉窗翅片對(duì)稱(chēng)布置和非對(duì)稱(chēng)布置對(duì)空氣的流動(dòng)和傳熱有不同的影響．非對(duì)稱(chēng)布置時(shí)，大部分空氣流選擇從阻力較小的翅片間通過(guò)，百葉窗的導(dǎo)流和擾動(dòng)作用較小，空氣帶走的熱量少，同時(shí)，由于大部分空氣從翅片間通過(guò)，百葉窗對(duì)空氣的阻礙作用小，說(shuō)明百葉窗翅片非對(duì)稱(chēng)式布置時(shí)，傳熱性能較差，而流阻性能較好．對(duì)稱(chēng)布置時(shí)，數(shù)值計(jì)算結(jié)果表明空氣流主要沿百葉窗方向流動(dòng)，百葉窗起到了很好的導(dǎo)流和擾動(dòng)作用，更有利于傳熱，但流阻性能差．

圖8 對(duì)稱(chēng)式百葉窗翅片的溫度云圖(垂直于y軸中心截面)Fig.8 Computed temperature contours for symmetrical arrangement of louvered fins(y axis perpendicular to the central section)

圖9 非對(duì)稱(chēng)式百葉窗翅片的速度云圖(垂直于y軸中心截面)Fig.9 Computed velocity contours for asymmetrical arrangement of louvered fins(y axis perpendicular to the central section)

圖10 非對(duì)稱(chēng)式百葉窗翅片的溫度云圖(垂直于y軸中心截面)Fig.10 Computed temperature contours for asymmetrical arrangement of louvered fins(y axis perpendicular to the central section)

3.3 傳熱分析

圖11和圖12顯示了對(duì)稱(chēng)式與非對(duì)稱(chēng)式百葉窗翅片的數(shù)值模擬結(jié)果，在相同的質(zhì)量流量和空氣入口溫度條件下，對(duì)稱(chēng)布置的百葉窗翅片傳熱因子和傳熱量均高于非對(duì)稱(chēng)布置的百葉窗翅片，傳熱性能優(yōu)于非對(duì)稱(chēng)布置的百葉窗翅片．

圖11 百葉窗對(duì)稱(chēng)布置和非對(duì)稱(chēng)布置空氣側(cè)傳熱因子數(shù)值模擬結(jié)果Fig.11 Computational air-side j factor for symmetrical and asymmetrical arrangements of louvered fins

圖12 百葉窗對(duì)稱(chēng)布置和非對(duì)稱(chēng)布置傳熱量數(shù)值模擬結(jié)果Fig.12 Computational heat transfer rate for symmetrical and asymmetrical arrangement of louvered fins

由圖12可以看出，隨著空氣入口速度的增加，百葉窗翅片的傳熱量也逐漸增加．空氣入口速度分別為5.58,m/s、6.81,m/s、8.09,m/s、9.71,m/s、10.64,m/s、11.90,m/s和12.66,m/s時(shí)，百葉窗對(duì)稱(chēng)布置時(shí)的傳熱量比非對(duì)稱(chēng)布置時(shí)分別高14.7%、14.5%、14.3%、13.7%、13.4%、12.5%和11.9%．

3.4 壓降分析

百葉窗翅片對(duì)稱(chēng)布置和非對(duì)稱(chēng)布置時(shí)，不同的空氣入口速度所對(duì)應(yīng)的空氣側(cè)壓降如圖13所示．

圖13 百葉窗對(duì)稱(chēng)布置和非對(duì)稱(chēng)布置時(shí)的空氣側(cè)壓降數(shù)值模擬結(jié)果Fig.13 Computational air-side pressure drop for symmetrical and asymmetrical arrangements of louvered fins

由圖13可以看出，百葉窗翅片對(duì)稱(chēng)布置和非對(duì)稱(chēng)布置時(shí)，空氣側(cè)壓降均隨著空氣入口速度的升高而升高，并呈拋物線(xiàn)型分布．但在相同的空氣入口速度下，由于對(duì)稱(chēng)布置時(shí)百葉窗對(duì)空氣的導(dǎo)流和擾動(dòng)作用比非對(duì)稱(chēng)布置時(shí)強(qiáng)烈，空氣分子之間的碰撞比較劇烈，導(dǎo)致百葉窗對(duì)稱(chēng)布置時(shí)空氣側(cè)壓降比非對(duì)稱(chēng)布置時(shí)高．且隨著空氣入口速度的升高，空氣的動(dòng)能隨之提高，2種布置方式的空氣側(cè)壓降差也更明顯．

在不同的空氣入口速度下，對(duì)稱(chēng)布置時(shí)的壓降比非對(duì)稱(chēng)布置時(shí)的壓降分別高29.3%、28.8%、28.7%、28.1%、27.7%、27.1%和26.7%．

3.5 綜合性能分析

百葉窗翅片式散熱器的性能由傳熱和流阻特性決定，由數(shù)值模擬結(jié)果可知，百葉窗對(duì)稱(chēng)布置時(shí)的傳熱性能優(yōu)于非對(duì)稱(chēng)布置方式，但不可避免地引起壓降的增加，從而導(dǎo)致風(fēng)機(jī)功耗也相應(yīng)增加．由于百葉窗對(duì)稱(chēng)布置在增大傳熱的同時(shí)，也增大了流動(dòng)阻力，需要有標(biāo)準(zhǔn)對(duì)百葉窗翅片做綜合評(píng)價(jià)，本文引入了散熱器綜合性能評(píng)價(jià)因子作為評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)．

圖14顯示了百葉窗對(duì)稱(chēng)和非對(duì)稱(chēng)布置時(shí)散熱器綜合性能評(píng)價(jià)因子的數(shù)值模擬結(jié)果，該因子從相同的風(fēng)機(jī)功耗下傳遞不同熱量的角度，綜合考慮了傳熱和流阻的因素．從圖14中可以看出，隨著空氣入口速度的增加，對(duì)于百葉窗對(duì)稱(chēng)和非對(duì)稱(chēng)布置的散熱器其綜合性能評(píng)價(jià)因子均降低．但相比于非對(duì)稱(chēng)布置時(shí)的情況，對(duì)稱(chēng)布置時(shí)的散熱器綜合性能評(píng)價(jià)因子始終較高，空氣入口速度分別為5.58,m/s、6.81,m/s、8.09,m/s、9.71,m/s、10.64,m/s、11.90,m/s和12.66,m/s時(shí)，百葉窗對(duì)稱(chēng)布置時(shí)的散熱器綜合性能評(píng)價(jià)因子比非對(duì)稱(chēng)布置時(shí)分別高16.7%、17.6%、15.6%、13.3%、13.8%、10.7%和11.1%，說(shuō)明對(duì)稱(chēng)布置時(shí)散熱器的綜合性能較優(yōu)．

圖14 百葉窗對(duì)稱(chēng)布置和非對(duì)稱(chēng)布置時(shí)的綜合性能評(píng)價(jià)因子數(shù)值模擬結(jié)果Fig.14 Computational comprehensive evaluation factor for symmetrical and asymmetrical arrangements of louvered fins

4 結(jié) 論

(1) 在相同的進(jìn)出口邊界條件下，與百葉窗非對(duì)稱(chēng)布置相比，對(duì)稱(chēng)布置時(shí)百葉窗翅片的傳熱因子和傳熱量較高．相應(yīng)的對(duì)稱(chēng)布置時(shí)百葉窗翅片式散熱器傳熱性能較優(yōu)．不同的空氣入口速度條件下，對(duì)稱(chēng)布置比非對(duì)稱(chēng)布置時(shí)的傳熱量分別高14.7%、14.5%、14.3%、13.7%、13.4%、12.5%和11.9%．

(2) 在不同的空氣入口速度條件下，百葉窗對(duì)稱(chēng)布置時(shí)的壓降比非對(duì)稱(chēng)布置時(shí)分別高29.3%、28.8%、28.7%、28.1%、27.7%、27.1%和26.7%，說(shuō)明非對(duì)稱(chēng)布置時(shí)的流阻特性?xún)?yōu)于對(duì)稱(chēng)布置時(shí)的百葉窗翅片散熱器．

(3) 在不同的空氣入口速度條件下，百葉窗對(duì)稱(chēng)布置時(shí)的綜合性能評(píng)價(jià)因子比非對(duì)稱(chēng)布置時(shí)高，且增幅均在10%以上，最大為17.6%，說(shuō)明百葉窗對(duì)稱(chēng)布置時(shí)散熱器的綜合性能較好．

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Numerical Simulation and Analysis of Different Louver Arrangements of Automotive Heat Exchangers

Zhu Jialing，Li Xiaoguang，Zhang Wei
(School of Mechanical Engineering，Tianjin University，Tianjin 300072，China)

Numerical simulation investigation and analysis of heat transfer and flow resistance performance over louvered fins in automotive heat exchangers were presented. Three-dimensional simulations on the air-side were performed for two types of louvered fin configurations i. e. symmetrical arrangement and asymmetrical arrangement. Calculated results reflected by air-side heat transfer rate，heat transfer factor and pressure drop，along with comprehensive evaluation factor，indicated that a symmetrical arrangement of louvered fins provided an increase in heat transfer performance and also an increase in pressure drop compared with the asymmetrical arrangement of louvered fins under the same inlet and outlet boundary conditions for the given geometrical parameters. At the air frontal velocity of 5.58,m/s，the heat exchangers with symmetrical arrangement of louver provided a 14.7% increase in heat transfer rate but also a 29.3% increase in pressure drop compared with the asymmetrical arrangement of louver. And for different air frontal velocities，the comprehensive evaluation factor for symmetrical arrangement of louvered fins are higher than that of the asymmetrical arrangement．The results indicatethat the overall performance is better for heat exchangers with symmetrical arrangement of louver.

numerical simulation；heat transfer；flow resistance；louver arrangement；automotive heat exchanger

TB657.5

A

0493-2137(2013)03-0244-06

2011-12-21；

2012-03-12.

朱家玲（1954— ），女，教授，zhujl@tju.edu.cn.

張 偉，zhang_wei@tju.edu.cn.