百叶窗角度对管带式中冷器传热与阻力特性影响研究*

郑明强，赵津，马秀勤，张秉坤，甯油江

(贵州大学机械工程学院，贵州贵阳550025)



百叶窗角度对管带式中冷器传热与阻力特性影响研究*

郑明强，赵津，马秀勤，张秉坤，甯油江

(贵州大学机械工程学院，贵州贵阳550025)

摘要：根据影响中冷器综合性能的因素，建立了四组不同开窗角度的百叶窗翅片计算模型，采用Fluent软件，SIMPLE算法和标准k-ε模型对传热特性和阻力特性进行了仿真分析，得到不同开窗角度下中冷器空气侧的温度、压力和换热系数，及中冷器综合性能评价因子。研究发现换热主要集中在百叶窗前端，阻力损失主要集中在翅片区域；压降随着开窗角度的增大而增大；在相同的工况条件下，开窗角度为27°时，翅片表面传热系数最大，具有更好的综合性能。计算结果为中冷器散热带结构设计提供了参考。

关键词：中冷器百叶窗翅片压降传热系数结构设计

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0引言

百叶窗管带式换热器广泛应用于车辆的冷却系统中，如散热器、中冷器[1-2]。对于空气作为冷却介质的中冷器，热阻主要集中在空气侧，因此提高其换热效率的有效方法是减小空气侧的热阻。散热带翅片上的百叶窗可以有效地切断空气侧边界层，阻止其进一步发展，减小边界层厚度，从而提高传热效率[3]。

不同开窗角度对中冷器性能有较大的影响。Hsieh[4]等人设计开窗角度依次递增2°、4°和依次递减2°、4°的百叶窗翅片，与固定开角20°的百叶窗翅片进行仿真对比研究，结果表明，开窗角度递增或递减的模型都能强化换热效果，但进出口压差均比固定开窗角度的百叶窗翅片更高。Aoki. H[5]完成了在不同百叶窗角度下的传热性能实验，指出百叶窗角度增加引起传热系数增加，在角度为28°~30°时到达最大值。国内学者周宇[6]等人，比较了4种不同倾角的百叶窗翅片的传热性能和阻力性能，发现压降随开角的增大而增大。

目前百叶窗翅片不同参数对换热器性能的影响研究主要用于散热器的性能分析上，对于散热管尺寸比较大的中冷器来说，这方面的研究较少。因此本文利用流体分析软件Fluent软件，对某型管带式汽车中冷器百叶窗翅片的传热和阻力特性进行数值模拟计算，分析比较了4种不同百叶窗倾角(23°、25°、27°、29°)对传热和阻力的影响。

1计算条件

1.1研究假设

因研究内容不考虑流动过程中流体的物理属性随温度及流动状态变化而改变，故作出如下假设：

1)翅片材料采用厚度为0.2 mm的铝片，铝片厚度的导热温差可忽略；

2)流体为不可压缩流体；

3)流体流动为定常流，流体物理属性不发生改变；

4)忽略翅片和扁管外壁面接触热阻，认为扁管外壁面温度和翅片根部相同。

1.2几何模型及网格划分

研究对象为如图1所示的某型汽车中冷器的百叶窗翅片，由于翅片的结构复杂，受计算机的限制，不可能对整体翅片进行仿真。同时由于翅片的结构呈现对称性和周期性变化，只需研究如图2所示的一个翅片单元内的对流换热，这不仅可以较好的反映计算域参数特点，又可以节省计算时间。几何模型尺寸参数如表1所示。

图2　百叶窗模型

表1　几何模型尺寸参数

通过软件ICEM划分网格，采用非结构化的四面体单元分别对流体域和固体域进行网格划分，固体域网格数和流体域网格数如表2所示。

表2　网格数目

1.3材料属性及参数

扁管外管壁及翅片采用软件材料库里的铝制材料，冷流体的材料采用空气。这两种材料的基本物理属性参数：密度、粘度、导热系数和比热，如表3所示。

表3　物理属性参数

1.4控制方程及边界条件

对于三维不可压缩流动的数值分析，采用如下3个控制方程[7]：

连续性方程：

动量方程：

能量方程：

选用标准湍流k-ε模型，采用SIMPLE算法，对流项采用二阶迎风格式，计算模型为稳态湍流不可压缩流动。边界条件[8]为扁管壁面温度恒定，进口为给定的气流速度和温度。同时，为了保证入口和出口的充分发展，在入口处和出口处分别增加两倍翅片间距的导流体[9]。出口为压力出口，静压值为0，模型上下面为周期边界条件，右端表面为对称边界，流体和固体接触的区域为耦合面，剩余面为绝热壁面条件，如图3所示。

图3　边界条件模型

根据不同开窗角度，分别建立θ=23°，θ=25°，θ=27°，θ=29°四种不同开窗角度的百叶窗翅片计算模型，进口为空气，数值模拟选取5个迎风速度工况，分别为2 m/s，4 m/s，6 m/s，8 m/s，10 m/s，空气进口温度为300 K及相应的湍流条件，扁管长度为664 mm，而一个周期的翅片所对应的扁管长度不到3 mm，因此扁管的壁面温度可以看成是一个恒定值，本文取平均值为363 K，出口为压力出口，相对压力设为零。

2仿真结果分析

2.1流道内的速度场

以风速工况为10 m/s查看仿真结果，四种开窗角度(23°、25°、27°、29°)对称面速度场云图如图4所示。从图中可以看出，大多数流体都沿着百叶窗流动，流经百叶窗翅片时，百叶窗下端的流速较高，当流动方向发生改变后，百叶窗上端的空气流速较高。流经百叶窗的最高速度分别为22.8 m/s、22.4 m/s、21.6 m/s、22.7 m/s，这表明开角对空气流速分布的影响较小。

图4　四种开角对称面上的速度云图

2.2流道内的温度场

四种开窗角度的对称面温度场云图(风速10 m/s)如图5所示，依次为23°、25°、27°和29°时的云图，图中可以看出，未开窗的部分边界层不断的增长，随着空气流经百叶窗，百叶窗对空气气流造成了扰动，阻止了边界层的发展，这大大改善了对流换热条件。翅片前半部分的翅片之间和空气温度梯度较后半部分大，随着空气向深度方向流动，空气逐渐被从扁管管壁传来的热量经翅片加热，到出口时温度接近于壁面温度。这说明换热主要集中在中冷器的前半部分。

图5　四种开角对称面上的温度云图

2.3流道内的压力场

由于四种开窗角度的对称面压力场(风速10 m/s)分布趋势大致相同，以23°对称面压力云图进行分析，如图6所示，图中可以看出，空气的压力逐渐减小，当空气流入翅片区域，由于百叶窗对气流的扰动作用，流动方向发生变化，从而使脉动阻力增大。压力损失主要集中在空气流入百叶窗的入口处。

图6　开窗角度为23°对称面上的压力云图

2.4传热特性及阻力特性分析

随着开角的增加，进出口压降也相应的增大，这说明空气在翅片之间及百叶窗之间的气流量与开窗角度有关。通过对比如图7-11所示的5种不同工况下的传热系数可知，开窗角度为23°时，翅片的表面换热系数最小，当开角增大到27°时，翅片的表面换热系数最大，翅片表面换热系数较23°时增大3%~4.5%，但随着开角进一步增大，换热系数减小，因此，当开角为27°时换热效果最好。开角为23°时，进出口压降最小，随着开角的增大，压降也进一步增加，相同工况下，开角为25°~29°时，进出口压降比23°时增大1.2%~23%。

图8　4 m/s翅片换热系数及进出口压降图

图10　8 m/s翅片换热系数及进出口压降图

图11　10m/s翅片换热系数及进出口压降图

可见，增大开角可以提高换热系数，但与此同时，也不可避免的增大了进出口压降。因此，引用综合换热系数对不同开角的百叶窗翅片进行评价。如图12显示了4种开角的综合性能评价因子随空气入口速度的变化，从图中可以看出，随着风速和角度的增加，综合因子均相应的降低，这是因为随着开窗角度的增大，换热系数增大的幅度没有进出口压降增大的幅度大。但随着开角的增大，换热效果更好。

图12　不同流速下的综合评价因子

3结论

在相同边界条件下，运用流体分析软件Fluent对4种不同开角的百叶窗翅片速度场、温度场和压力场进行了模拟分析计算，结论如下：

1)空气流经百叶窗时，百叶窗下端速度较高，当流动方向改变后，上端速度较高，同时对比最高流速，表明百叶窗开角的大小对速度分布影响较小。

2)换热主要集中在中冷器的前半部分，在相同入口速度情况下，对比翅片表面的传热系数和进出口压降的大小，当开窗角度为27°时，翅片表面的换热系数最高，较23°时换热系数增大3%~4.5%，开角为27°传热性能最好；压降随着开角的增大而增大，增大幅度为1.2%~23%。

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Study on the influence of shutter angle on the characteristics of heat transfer and drag of tube-type intercooler

ZHENG Mingqiang, ZHAO Jin, MA Xiuqin, ZHANG Bingkun, NING Youjiang

Abstract:According to the factors affecting intercooler's comprehensive performance, four calculation models for louver fin at different louver angles are established. Using FLUENT software, SIMPLE algorithm and the standard k-ε model, simulation analysis is carried out to examine the characteristics of heat transfer and resistance, through which the temperature, pressure and heat transfer coefficient of the intercooler's airside at different louver angles are obtained, and the evaluation factors of its comprehensive performance are worked out. The study shows that the heat transfer mainly concentrates on the front end of the louver window, the resistance loss mainly occurs in the fin, and that the pressure drop increases with the increase of the louver angle. It is also found that, under the same conditions, when the louver angle is 27 degree, the heat transfer coefficient on the fin surface is the largest, which shows better comprehensive properties. The results would provide reference for future structure design for the cooling fin of intercooler.

Keywords:intercooler; louver fin; pressure drop；heat transfer coefficient；structure design

通讯作者：赵津(1973-)，男，教授，硕士生导师，主要研究方向：智能汽车及智能交通系统、汽车及其零部件设计方法。

基金项目：贵州省重大科技专项项目，黔科合中大专项字(2014)6004；企业横向课题，模块化车用散热器产品设计与生产线布置与规划,20141001。

收稿日期：2015-07-24 2015-06-11

作者简介：李凯峰(1989-)，男，硕士研究生，就读于西南交通大学机械工程学院，研究方向：机电液一体化。 郑明强(1990-)，男，汉族，贵州盘县人，硕士研究生，主要从事汽车及其零部件设计方法研究。

中图分类号：TH16;TK172

文献标识码：A

文章编号：1002-6886(2016)01-0031-05