新型疊片式油冷卻器綜合性能的數(shù)值研究

涂盛輝，馮 毅，劉 敏

(華南理工大學(xué)化工機(jī)械與安全工程研究所，廣東廣州 510640)

0 引言

油冷卻器作為一種換熱設(shè)備，廣泛應(yīng)用于吹塑成型機(jī)、壓鑄機(jī)、螺桿壓縮機(jī)、油壓機(jī)等工程機(jī)械設(shè)備的液壓油冷卻系統(tǒng)中。在水冷式油冷卻器設(shè)計中，液壓油走殼程，水走管程，由于液壓油粘度較大，殼程流速較低，殼程換熱系數(shù)遠(yuǎn)小于管程側(cè)換熱系數(shù)，傳熱熱阻主要集中在殼程油側(cè)［1］，因此，深化殼程換熱是提升水冷式油冷卻器換熱性能的最有效方法之一［2－3］。

目前，國內(nèi)外多數(shù)學(xué)者對水冷式油冷卻器的殼程強(qiáng)化換熱的研究主要集中在擴(kuò)展傳熱面積［4］和改變管束支撐結(jié)構(gòu)［5］兩方面。在擴(kuò)展傳熱面積方面，主要采用翅片管如整體針翅管［6］、螺紋管［7］、花瓣翅片管［8］等增大傳熱面積，提高潤滑油的湍動程度，破壞傳熱邊界層，來提高傳熱效率;在改變管束支撐結(jié)構(gòu)方面，研究出了螺旋折流板［9］、管束自支撐［10］等不同支撐結(jié)構(gòu)的油冷卻器，改變了油流動方式，消除了弓形板支撐存在的傳熱死區(qū)［11］。

新型鋁疊片水冷式油冷卻器是借鑒空冷器換熱結(jié)構(gòu)，將沖壓成型的鋁疊片作為傳熱翅片，并與弓形折流板和銅管緊密結(jié)合的一種新型油冷卻器，具有換熱面大、體積小、不易穿管、抗振動能力強(qiáng)等優(yōu)點。尹益欣等［12］對疊片間距進(jìn)行了數(shù)值研究，發(fā)現(xiàn)疊片間距為2 mm時換熱效果較好;梁建活等［13］對疊片式和螺旋折流板式油冷卻器進(jìn)行對比試驗研究，發(fā)現(xiàn)疊片式油冷卻器在單位壓降下?lián)Q熱量遠(yuǎn)高于螺旋折流板式油冷卻器。但尚無學(xué)者對折流板間距和缺口高度對疊片式油冷卻器換熱與阻力性能影響作相關(guān)研究。

因此，本文對新型鋁疊片油冷卻器在不同折流板間距和缺口高度下進(jìn)行換熱與阻力性能數(shù)值分析研究，分析其流場流動特性，為優(yōu)化鋁疊片油冷卻器的結(jié)構(gòu)及工程應(yīng)用提供一定參考價值。

1 計算模型

1.1 疊片式油冷卻器結(jié)構(gòu)參數(shù)

疊片式油冷卻器的結(jié)構(gòu)幾何模型如圖1所示，殼體內(nèi)徑D=85 mm，折流板厚度2 mm，其間距值如表 1 所示，缺口高度按 0.2D，0.25D，0.3D，0.4D 取值。

圖1 疊片式油冷卻器結(jié)構(gòu)示意

表1 折流板間距值

鋁疊片結(jié)構(gòu)尺寸如圖2所示，其間距為2 mm，厚度0.3 mm，疊片數(shù)為162片，銅管尺寸為 φ9.3 mm ×0.7 mm，銅管數(shù)為22 根，銅管間距為13.9 mm，呈正三角形排列。

圖2 鋁疊片結(jié)構(gòu)尺寸

1.2 模型建立及網(wǎng)格劃分

新型疊片式油冷卻器的幾何模型具有對稱性，故采用一半模型進(jìn)行結(jié)構(gòu)簡化，忽略折流板與筒體間隙和銅管外徑與折流板管孔的間隙，不考慮銅管與鋁疊片間的接觸熱阻。

鋁疊片數(shù)量多，疊片厚度小，尺寸差別大，整體劃分將產(chǎn)生很大的網(wǎng)格數(shù)，因此采用切分的方式，用cooper進(jìn)行網(wǎng)格劃分，進(jìn)出口接管、折流板及附近區(qū)域處采用四面體和金字塔非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格并加密，其網(wǎng)格劃分如圖3所示。

圖3 鋁疊片油冷卻器網(wǎng)格劃分圖

1.3 計算求解及邊界條件的設(shè)置

采用基于壓力的分離式求解器及標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù)方法進(jìn)行求解。由于疊片和折流板的作用，即使?jié)櫥驼扯容^大，流速較低，也能使其在低雷諾數(shù)情況下仍能發(fā)展成湍流狀態(tài)，故采用標(biāo)準(zhǔn)k—ε湍流模型。速度和壓力的耦合方式采用Simplec算法。

潤滑油的進(jìn)口為速度邊界條件，進(jìn)口溫度恒定為333 K，出口為壓力出口邊界條件。潤滑油采用HM46液壓油，液壓油的粘度設(shè)置成隨溫度線性變化，密度、導(dǎo)熱系數(shù)等其他物性參數(shù)設(shè)置為常數(shù)。設(shè)定銅管內(nèi)壁為恒溫管壁［14］，銅管壁溫303 K。鋁疊片與殼程流體相接觸面采用流固耦合的壁面邊界，模型中間面設(shè)置為對稱邊界，折流板和殼體壁面采用無滑移、不可滲透絕熱邊界條件。

2 模擬結(jié)果分析

2.1 殼程流場分析

圖4 不同折流板間距下的速度云圖

圖4示出折流板切口高度為0.2D、油流量為80 L/min時，疊片式油冷卻器對稱面上不同折流板間距的速度云圖?？梢钥闯觯捎谡哿靼宓拇嬖?，使得殼程流動區(qū)域存在流動死區(qū)，且隨著折流板間距的減小，流動死區(qū)明顯減少，疊片間流速增加，流速均勻程度變差。潤滑油HM46粘度較大，其流動產(chǎn)生的剪切應(yīng)力和摩擦阻力也相對較大，且眾多疊片具有一定阻流作用，使得流體流動阻力增加，因此疊片間油流速較低，但縱向流速較為均勻，靠近折流板迎風(fēng)側(cè)的疊片間流速大于背風(fēng)側(cè);在疊片間與銅管接觸的翅片根部，流體存在滯留現(xiàn)象，加大了油流動邊界層的厚度，不利于流體換熱。但隨著折流板間距減少，流體沖擊疊片和管束的能力增強(qiáng)，滯留現(xiàn)象得到緩解，隨之壓降也會大大增加。

2.2 折流板間距對傳熱與阻力性能影響

圖5示出折流板缺口高度為0.2D時，不同折流板間距下，殼程傳熱系數(shù)隨殼程油流量的變化曲線。

圖5 不同折流板間距下的殼程傳熱系數(shù)隨油流量變化曲線

可以看出，在同一折流板間距下，隨著油流量的增加，殼程傳熱系數(shù)近似呈線性增長。在同流量下，殼程傳熱系數(shù)隨折流板間距減少而增加，折流板間距為45 mm時的殼程傳熱系數(shù)比間距為90，75，60 mm 時分別平均提高 29.7%，22.3%，17.2%。這是因為隨著折流板間距的減小，折流板數(shù)量增多，導(dǎo)致殼程流通面積隨之減少，使得殼程流體流速增大，湍動程度變劇烈，殼程流體橫掠管束次數(shù)變多，橫向流動距離變長，殼程流體更近似于理想化橫流，進(jìn)而加劇了換熱管束表面流體的剝離程度，并促使殼程流體充分混合，從而嚴(yán)重破壞了銅管表面的流動邊界層，使得邊界層厚度減薄，進(jìn)而降低了殼程側(cè)流體熱阻，殼程傳熱系數(shù)得到增加。這與劉敏珊等［15］關(guān)于折流板換熱器的研究結(jié)果相類似。

圖6示出折流板缺口高度為0.2D時，不同折流板間距下，殼程壓降隨殼程油流量的變化曲線?？梢钥闯觯粴こ逃土髁肯?，折流板間距越小，壓降越大。殼程壓降在不同折流板間距下隨流量的增加而增加，且增長趨勢隨油流量增加而逐漸變大。折流板間距為45 mm時的壓降比同流量下間距為90，75，60 mm時分別平均增加了83%，73%，61%。其原因是，隨著折流板間距減小，折流板塊數(shù)增多，殼程流體湍動程度變劇烈，殼程阻流能力得到增強(qiáng)，進(jìn)而導(dǎo)致殼程流體流動沿程阻力損失及流動阻力增大，殼程進(jìn)出口壓降隨之增加，符合范寧公式［16］規(guī)律。因此，工程實踐中選擇疊片式油冷卻器需考慮折流板間距和油流量對殼程壓降的影響。

圖6 不同折流板間距下殼程壓降隨油流量變化曲線

為了得出最優(yōu)的折流板間距值與油流量的組合，從而達(dá)到節(jié)能減阻的目的，采用綜合因子α/Δp(殼程傳熱系數(shù)與壓降之比)作為疊片式油冷卻器傳熱強(qiáng)化的評價指標(biāo)。圖7示出不同折流板間距下綜合因子α/Δp隨油入口流量及折流板間距的變化曲線?？梢钥闯?，同一折流板間距下，α/Δp隨油流量增加呈現(xiàn)先迅速下降后平緩降低的趨勢，且隨著折流板間距增加，α/Δp增大，當(dāng)折流板間距為90 mm時α/Δp最大，傳熱性能最好。其原因是，雖然折流板間距越小，殼程傳熱系數(shù)越大，但同時其壓降增加的幅度遠(yuǎn)大于殼程傳熱系數(shù)的增幅，導(dǎo)致在任何油流量下折流板間距為90 mm時的整體綜合性能均最好。

圖7 不同折流板間距下的綜合因子隨入口流量變化關(guān)系曲線

2.3 折流板缺口高度對傳熱與阻力性能影響

選擇上述優(yōu)化后的折流板間距為90 mm的疊片式油冷卻器在不同缺口高度下進(jìn)行數(shù)值計算。其中，油入口流量變化范圍為20～120 L/min。

圖8示出在不同折流板缺口高度下，殼程傳熱系數(shù)隨殼程油流量的變化曲線。

圖8 不同缺口高度下的殼程傳熱系數(shù)隨油流量變化曲線

可以看出，在其他相同條件下，隨著缺口高度的減小，殼程傳熱系數(shù)隨之增加，但增幅較小。在同流量下，缺口高度為0.2D時的殼程傳熱系數(shù)比 0.25D，0.3D 和0.4D平均提高 2%，2.7% 和3.36%。這是由于隨著折流板缺口高度的減小，殼程流速增加，以致折流段內(nèi)沖刷疊片管束的能力得到增強(qiáng)，進(jìn)而使得殼程傳熱性能得到提升。

圖9示出在不同折流板缺口高度下，殼程壓降隨殼程油流量的變化曲線。

圖9 不同缺口高度下的殼程壓降隨油流量變化曲線

可以看出，同一流量下，隨著缺口高度增加，殼程壓降降幅較小，4條曲線幾乎重合。造成這種現(xiàn)象的原因如下:一方面，殼程流體橫掠一個折流段的疊片管束后，從疊片缺口經(jīng)折流板缺口流向下一折流段。以折流板缺口高度為0.4D為例進(jìn)行說明，從折流段流線圖(見圖10)可以看出，在眾多鋁疊片的缺口高度(0.2D)影響下，使得大部分殼程流體依然沿著原有缺口通道流動，但鋁疊片與折流板的間隙處少部分流體及主流通道內(nèi)少量竄動流體會隨著缺口高度的增加流向相鄰疊片與折流板的間隙處，因為疊片與折流板間隙較小，使得上述流體沖擊鋁疊片，產(chǎn)生回流，形成渦流，造成能量損耗，使得壓降增加;另一方面，隨著折流板缺口高度的增加，使得主流通道的流體流速略為降低，流體流動經(jīng)折流段的沿程阻力損失降低，壓降隨之減小。由上述兩個方面的共同作用，便得到了圖9所示的壓降變化曲線。因此，綜合傳熱與阻力性能的影響，選用缺口高度0.2D的折流板相比其他高度的折流板具有更好的傳熱綜合性能。

圖10 缺口高度為0.4D時折流段流線圖

2.4 模擬準(zhǔn)確性驗證

采用文獻(xiàn)［17］所述的試驗平臺對折流板間距為90 mm、缺口高度為0.2D的疊片式油冷卻器模擬結(jié)果進(jìn)行試驗論證，試驗所用疊片式油冷卻器幾何結(jié)構(gòu)尺寸與模擬所用相同。試驗裝置溫度采用PID控制，使得HM46液壓油的進(jìn)口溫度準(zhǔn)確控制在60±0.3℃，冷卻水進(jìn)口溫度控制在30±0.2℃。油和水流量比例為2∶1，溫度、壓差、流量分別由實驗裝置中的熱電偶、壓差變送器和渦輪流量計測量，通過變頻器控制調(diào)節(jié)液壓油和冷卻水的入口流量。當(dāng)液壓油的放熱量和冷卻水的吸熱量的熱平衡相對誤差小于10%時，認(rèn)為系統(tǒng)達(dá)到熱平衡狀態(tài)，此時開始進(jìn)行試驗數(shù)據(jù)記錄。

圖11，12分別示出殼程傳熱系數(shù)和壓降模擬計算與試驗對比圖。

圖11 殼程傳熱系數(shù)模擬值與試驗值比較曲線

可以看出，殼程傳熱系數(shù)總體趨勢一樣，模擬計算值比試驗值要大一些，隨著油流量增加，相對誤差變小，平均誤差不超過6%。殼程壓降相對誤差不超過10%。這是由于模擬計算作了簡化處理，忽略了漏流情況，且未考慮殼體的散熱，試驗中測壓處與進(jìn)出口接管間存在變徑接頭及軟管，導(dǎo)致試驗值與模擬值存在一定誤差，但誤差在允許的范圍內(nèi)，論證了模擬的準(zhǔn)確性。

圖12 殼程壓降模擬值與試驗值比較曲線

3 結(jié)論

通過FLUNET分析了不同折流板間距下新型疊片式油冷卻器的流場分布，對不同折流板結(jié)構(gòu)參數(shù)下殼程流體的傳熱和阻力性能進(jìn)行數(shù)值計算與對比，得出如下結(jié)論:

(1)疊片式油冷卻器存在流動死區(qū)，在疊片間與銅管接觸的翅片根部，流體存在滯留現(xiàn)象，隨著折流板間距的減小，流動死區(qū)明顯減少，疊片間流速增加，滯留現(xiàn)象得到改善。

(2)4種不同折流板間距的殼程傳熱系數(shù)和壓降隨油入口流量增加而增加，間距越小，殼程傳熱系數(shù)越大，殼程壓降也越大。以綜合因子α/Δp評價傳熱效果，發(fā)現(xiàn)折流板間距為90 mm時的綜合傳熱效果最好。

(3)折流板缺口高度的變化對殼程傳熱和阻力性能影響很小，相比其他缺口高度，缺口高度為0.2D時殼程傳熱系數(shù)大，傳熱效果好。

(4)對折流板間距為90 mm、缺口高度為0.2D的疊片式油冷卻器模擬結(jié)果進(jìn)行試驗對比，驗證了模擬計算的準(zhǔn)確性，為后續(xù)研究改善疊片式油冷卻器傳熱與阻力性能提供參考計算模型。

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