车用空调平行流冷凝器空气侧稳态流动与传热数值模拟

杨润泽，李杰

（1.湖北汽车工业学院汽车工程学院，湖北十堰442002；2.东风（十堰）美瑞特汽车空调有限公司，湖北十堰442000）



车用空调平行流冷凝器空气侧稳态流动与传热数值模拟

杨润泽1，李杰2

（1.湖北汽车工业学院汽车工程学院，湖北十堰442002；2.东风（十堰）美瑞特汽车空调有限公司，湖北十堰442000）

摘要：建立了某车用空调多元平行流冷凝器三维模型，利用CFD方法对典型工况下该冷凝器空气侧百叶窗翅片的流动和传热性能进行了数值模拟，计算结果显示数值模拟与试验测试及常用关联式的计算结果具有较好的一致性，验证了计算模型和方法的正确性，为进一步研究翅片结构参数对平行流冷凝器性能的影响及性能优化提供了理论参考。

关键词：平行流冷凝器；百叶窗翅片；传热；CFD

冷凝器作为汽车空调的重要部件，对空调性能起着关键性的作用。冷凝器的安装空间有限、工作条件恶劣，所以小型化、轻量化、高效化、环保化的要求就显得尤为突出。多元平行流换热器较传统的管翅式和管带式换热器而言，具有结构紧凑、高效，耐久性能好，重量轻等优点［1］，因而在汽车空调上得到了广泛应用。

近年来，国内外学者对百叶窗翅片的流动和换热特性开展了大量的研究。Chang和Wang［2-3］对91组百叶窗翅片试验数据进行了拟合，得到传热因子j和摩擦因子f的关联式。上海交大董军启、陈江平等［4］通过对20种不同结构参数百叶窗翅片的336个试验数据点进行多元回归和F显著性检验，获得了j因子和f因子的经验关联式。文献［5-6］以Davenport. C. J关联式为基础，分析了翅片和百叶窗结构参数对空气侧换热系数和压力损失的影响，对平行流冷凝器空气侧的传热和流动性能进行了优化计算。百叶窗翅片传热机理复杂，其结构形式（三角波或者矩形波）和实验条件的不同使拟合的关联式通用性不强，基于计算流体力学（Com⁃putational Fluid Dynamics, CFD）和计算传热学的数值模拟方法在百叶窗翅片换热和流动研究中得到越来越多学者的关注［7-9］。但多数CFD仿真和优化计算缺乏相关试验数据支持，忽视了翅片内导热和流场间的相互耦合作用，计算所采用的流动模型和边界条件值得进一步验证。

1　平行流冷凝器结构和物理模型

平行流冷凝器实物外形和结构示意图如图1～2所示。制冷剂在多孔扁管内流动，通过集流管和隔片将制冷剂侧的流动分成若干个流程；空气侧采用矩形波纹型百叶窗翅片，百叶窗翅片的结构如图3所示，表1为百叶窗翅片的主要结构参数。

图1　平行流冷凝器实物外形图

图2　平行流冷凝器结构示意图

图3　百叶窗翅片结构示意图

表1　百叶窗翅片的主要结构参数

2　百叶窗翅片计算模型

2.1模型假设和简化

为了提高计算精度和计算速度，对平行流冷凝器的结构和流动传热过程进行假设和简化：1）假设翅片间距是均匀的，且扁管等间距；2）忽略扁管内的微通道结构以及扁管与翅片间的接触热阻；3）假设入口处的空气是稳定均匀的层流；4）假设空气常物性，并忽略其可压缩性。

在上述假设的条件下，可以取单个翅片作为基本的传热单元对其进行流动和换热分析，并根据对称性将其简化如图4所示的计算模型。2.2控制方程、边界条件及数值方法

图4　百叶窗翅片计算模型及边界条件

该问题的控制方程为连续性方程、三维稳态不可压缩常物性Navier-Stokes方程及能量方程，考虑流体和翅片之间的耦合换热，控制方程还包括导热微分方程。相关公式可在文献［10］中查到。

空气入口速度为1.5～4.5m·s-1，温度为35℃，出口为压力出口。研究所选取的计算域中空气的流动和换热是周期性重复的，因此可以将流体域上、下2个表面设定为平移周期性边界条件。两扁管之间百叶窗翅片、空气域的中剖面设为对称边界条件。扁管内表面温度为60℃。扁管外表面和百叶窗翅片的表面均为耦合传热面。计算域模型中其他未加说明的面均为绝热壁面。

计算在Ansys Fluent 12.0软件中进行，采用非结构化四面体网格对计算域进行离散，网格总数1.08×106。速度和压力耦合采用Simple算法，控制方程的对流项采用2阶迎风格式。

2.3物性参数

计算域由扁管和翅片组成的固体域及空气流动的流体域组成，其热物性参数如表2所示。

表2　空气和翅片的热物性参数

2.4试验和仿真计算工况

冷凝器入口空气干球温度35℃，相对湿度30%，制冷剂进口（表）压力1.58 MPa，饱和温度60℃，制冷剂入口过热度25℃，出口过冷度5℃，迎面风速1.5 m·s-1，2.5 m·s-1，3.5 m·s-1，4.5 m·s-1。

3　仿真结果分析

图5为不同迎面风速下对称面上的空气流速、静压和温度分布情况。随着迎面风速的提高，入口压力逐渐增大，出口温度逐渐减小，速度边界层和温度边界层厚度也逐渐减小。从对称面上的流速、静压及温度分布看，数值仿真结果基本合理。

图6为冷凝器风阻、出口温度及换热量数值模拟结果与试验值以及Davenport关联式［11］、Chang和Wang关联式［2-3］的对比。计算结果显示：随着风速的变化，CFD数值模拟结果与试验值表现出较一致的变化趋势，风阻和冷凝器换热量均随风速的提高而增大；但与试验值相比，4个工况点的风阻模拟值均低于试验值10%左右，出口温度高8%左右，而换热量则高于试验值20%～30%，且随着迎面风速的增加，换热量的计算误差有继续增大的趋势。由于制造工艺不能与计算假设完全相符，如翅片和扁管等间距均匀分布，导致实际换热器的风阻要高于模拟值；各排换热管的翅片个数（波数）无法与设计值保持一致，扁管与翅片间存在接触热阻，扁管内壁与制冷剂间存在对流换热热阻，且扁管内壁的温度随管内流程是逐渐减小的，但考虑单个翅片换热时无法考虑上述因素，因此计算出来的换热量是偏高的。另外，Chang和Wang关联式的换热量计算误差不超过5%，风阻在低雷诺数下误差较大，但随着风速的提高，误差逐渐下降至10%以内，这与文献［8］的研究结果一致。显然，相较于Davenport关联式，Chang和Wang关联式在矩形波纹翅片的换热和流阻计算上有更好的精度。

图5　翅片对称面上的空气流速、静压和温度分布

图6　冷凝器风阻、出口温度和换热量数值模拟结果与试验值及关联式的对比

4　结论

通过建立某车用空调多元平行流冷凝器三维模型，应用CFD方法对不同工况下空气侧的流动和换热情况进行数值仿真，并将数值模拟的结果与试验测试数据进行了对比分析。冷凝器百叶窗翅片CFD仿真结果与试验值相比，风阻低10%左右，出口温度高8%左右，换热量高20%～30%，且换热量误差随迎面风速的提高有继续增大的趋势。

对于工程应用来说，对单个百叶窗翅片的CFD数值仿真能够较为准确地预测整个冷凝器的风阻，但在换热量的计算上，与经验公式相比，在精度和计算成本上没有明显的优势。但是CFD仿真结果与试验结果具有较一致的变化趋势，证明了数值模拟所采用的计算模型和方法是正确的，因此在该模型的基础上研究翅片间距、高度、宽度，百叶窗长度、间距、角度等结构参数对冷凝器换热和流动的影响是可行的。

参考文献：

［1］林创辉.平行流换热器在空调机上的应用研究［J］.制冷，2011（4）：1-5.

［2］Chang Y，Wang C，Chang W. Heat Transfer and Flow Characteristics of Automotive Brazed Aluminum Heat Ex⁃changes［J］. ASHRAETrans，1994，100（2）：643-652.

［3］Chang Y，Wang C. Air-side Performance of Brazed Alu⁃minum Heat Exchangers［J］. Journal of Enhanced Heat Transfer，1996，3（1）：15-28.

［4］董军启，陈江平，陈芝久.百叶窗翅片的传热与阻力性能试验关联式［J］.制冷学报，2007，28（5）：10-14.

［5］张荣花，程文龙.基于蒙特卡罗法的平行流冷凝器的翅片参数优化［J］.制冷学报，2011，32（5）：53-58..

［6］姬利明，祁影霞，郭聪.平行流冷凝器空气侧传热性能探讨［J］.流体机械，2011，39（9）：78-81.

［7］张轶.基于CFD的汽车空调平行流冷凝器的仿真试验研究［D］.扬州：扬州大学，2013.

［8］莫羚.多元平行流冷凝器热力性能的数值模拟［D］.长沙：中南大学，2007.

［9］寇磊，廖胜明，刘玉涵.百叶窗翅片传热特性的数值模拟［J］.建筑热能通风空调，2009，28（1）：6-9.

［10］陶文铨.数值传热学［M］.西安：西安交通大学出版社，2001.

［11］Davenport C J. Correlation for Heat Transfer and Fric⁃tion Characteristics of Louvered Fin［J］. AICHE Sym Ser，1983，79（25）：19-27.

Air-side Steady Flow and Heat Transfer Simulation of Parallel Flow Condenser for Automobile Air Conditioning

Yang Runze1, Li Jie2
（1. School of Automotive Engineering, Hubei University of Automotive Technology, Shiyan 442002, China; 2. Dong Feng MERIT Automobile Air Conditioning Co. Ltd., Shiyan 442000, China）

Abstract:A three-dimensional model of the parallel flow condenser for an automobile air conditioning was set up, and the numerical simulation was carried out with CFD method to study the thermal and hy⁃draulic performance of air-side louvered fin. The results of CFD, experiment tests and empirical correla⁃tions show the feasibility of simulation model and method, also provide theoretical basis for the further study of louvered fin geometry parameter impact on the performance of parallel flow condenser.

Key words:parallel flow condenser; louvered fin; heat transfer; CFD

作者简介：杨润泽（1985-），男，湖北十堰人，硕士，主要从事传热和流动方面的研究。E-mail：yrunze@outlook.com

收稿日期：2015-11-09

doi：10.3969/j.issn.1008-5483.2016.01.006

中图分类号：TB61+1

文献标识码：A

文章编号：1008-5483（2016）01-0022-03