薄板式油汀取暖器散热效果的仿真研究

李　哲 刘　超 翟奋楼，3 李娇娇



薄板式油汀取暖器散热效果的仿真研究

李哲1，2刘超1翟奋楼1，3李娇娇1

（1.北京市计算中心 北京 100094；2.云计算关键技术与应用北京市重点实验室 北京 100094；3.“互联网+”智能装备云服务技术北京市工程实验室 北京 100094）

采用计算机仿真分析的方法，应用流体力学计算软件Fluent，基于VOF自由液面模型和双方程模型，对油汀取暖器散热进行数值仿真，得到取暖器内部的温度分布、板面温度分布以及内部流场分布。在油汀取暖器原始环形流道结构的基础上，对取暖器的内部流道进行改进优化，设计出竖向环形流道和横竖向环形流道结构的油汀取暖器，并进行数值仿真。对比分析三种不同流道结构在相同加热功率下内部流场流动均匀性和对外换热性能，得出横竖向环形流道结构的取暖器有最佳换热性能的结论，确定为优化设计方案。目前，桑普电器已将横竖向环形流道结构的油汀取暖器推出市场。

取暖器；散热性能；计算机仿真

0 引言

充油式取暖器体内充有导热油，接通电源后，取暖气下端电热管周围的导热油首先被加热，温度升高密度变小，热流体上升到腔体上部，冷流体填充热流体的位置，形成沿散热管或散热片的对流循环[1]。此种取暖器有使用寿命长、安全、卫生和无味等优点，缺点是耗电多、散热慢。取暖器内部流道的结构设计对其内部导热油流动性和换热性能有决定性作用。桑普公司为了解决传统电暖气结构设计中存在的问题，与北京市科学技术研究院联合研究，改造电暖气结构，开发了新一代环形流道取暖气。本文应用Fluent软件分别对三种环形流道结构的油汀取暖器的内部流场和换热进行仿真，分析换热效果，为取暖气结构的优化设计提供依据[2]。

1 几何结构

三种不同的环形油道取暖器结构如表1所示，结构Gk1为原始结构取暖器的环形流道结构，结构Gk2的环形流道之间通过竖向流道相通，为竖向环形流道，结构Gk3的环形流道之间通过竖向流道联通上下环道，横向流道联通左右环道，形成横竖向环形流道。

表1 三种环形油道取暖器的结构

2 数值仿真

2.1 网格剖分

取暖气换热性能的仿真包括流道内部冷热流体流动仿真和外部散热板对外散热仿真两个方面，需要同时剖分出取暖气内部流道的流体网格和取暖气散热板的结构网格。在保证计算结果精度又最大程度降低计算成本的前提下，对取暖气散热板采用四面体单元进行剖分，内部流道采用六面体单元进行剖分[3]。Gk3的结构网格和流体网格剖分如图1所示。

图1 Gk3的流道网格和结构网格

2.2 边界条件

取暖器内部为封闭结构，流道内大部分体积充满导热油，上部小部分体积作为导热油热涨的预留空间有空气混杂其中。温度高的导热油密度小，温度低的导热油密度大，密度造成的重力差是冷热流体在流道内循环流动的动力。在设置导热油的物性参数时，导热油密度随温度的变化尤为重要。此外，由温度变化引起的比热容、导热系数、粘度的变化也会对仿真的结果造成影响。所以，在仿真计算时，将导热油密度、比热容、导热系数、粘度等物性参数设置为温度的函数。忽略温度对空气物性和固体结构导热性的影响[4-6]。

取暖器流体部分的边界分为三部分：流体网格与结构网格耦合的部分，设置为couple，为流体热传递到面板的位置；加热棒部分，本文计算工况的加热功率为1000W，折算到加热面上的功率为43000W/m2。其余位置无热传导，设置为wall。面板的对外散热只考虑热对流，不考虑热辐射，设置对流换热系数为25.5W/m·K。

2.3 计算模型

应用计算流体力学软件Fluent，选择standard-湍流模型计算内部基本流场，VOF模型计算导热油和空气的分界面[7]。计算选择基于压力的求解器，考虑重力因素的影响，各控制方程用二阶迎风格式进行离散，压力速度耦合方式选用PISO算法[8]，对取暖气内部流场、温度场及取暖气面板温度场进行瞬态计算。计算时监测中面上的温度变化，当平均温度基本不变时，认为达到了平衡状态。

3 结果分析

对取暖气内部流场和外部面板换热散热进行耦合计算，分别得到Gk1、Gk2、Gk3三种结构取暖气内部流场温度分布和取暖气外表面上的温度分布。

取暖器内部导热油的温度分布如表2所示。

表2 导热油的温度分布图

三种结构的取暖器板面温度分布及板面最高、最低温度如表3所示。

表3 板面温度分布图与最高及最低温度值

从以上结果中看出，Gk3结构的导热油换热完成之后温度分布相对于其他两种方案更加均匀。从板面温度分布图及温度最值可以得出，虽然Gk1结构的最高温度较高，但是从温度分布均匀程度来看，Gk3结构的换热效果更好。

经过对比分析，目前桑普电器已经将结构Gk3应用于实际生产，如图2所示为型号DB2221M的超薄电热油汀取暖气。

图2 超薄电热油汀取暖气DB2221M

4 结论

本文利用FLUENT软件对薄板式油汀取暖器的散热效果进行了研究。三种结构Gk1、Gk2和Gk3中，散热效果对比为Gk3最好，Gk1次之，Gk2的散热效果最差。

采用计算机仿真技术能够在设计完成之后，样品生产之前进行产品的散热性能进行仿真，较准确的预测换热的过程及温度分布，以此为依据评价设计方案的可行性。在降低实验费用的同时缩短研发周期。希望此仿真技术能够越来越多的应用于新产品的研发创新过程中。

[1] 刘清龙,陈益文,刘源,等.电热油汀温升及舒适性研究[J].电器,2012,(S1):523-527.

[2] 赵琴,王靖.FLUENT在暖通空调领域中的应用[J].制冷与空调,2003,(1):15-18.

[3] 王玉栋,金磊,洪清泉,等.HyperMesh&HyperView应用技巧与高级实例[M].北京:机械工业出版社,2012.

[4] 刘东,淳良,韩如冰.安装角度对沟槽热管采暖传热性能影响的实验研究[J].制冷与空调,2015,29(5):581-583.

[5] 翟盼盼,张威,李娟,等.几种采暖系统应用于锡林郭勒盟典型民居效果对比[J].甘肃科技,2014,30(17): 133-135.

[6] John DAndersonJr.计算流体力学入门[M].清华大学出版社,2002.

[7] 宋学官,蔡林,张华.ANSYS流固耦合分析与工程实例[M].北京:中国水利水电出版社,2012.

[8] 王彤,谷传纲,杨波.非定常流动计算的PISO算法[J]，水动力学研究与进展,2003,18(2):232-239.

Simulation Research on Heat Dissipation Effect of Sheet Type Oil-filled Electric Radiator

Li Zhe1,2Liu Chao1Zhai Fenlou1,3Li Jiaojiao1

( 1.Beijing Computing Center, Beijing, 100094;2.The Beijing Key Lab for Cloud Computing Technology and Applications, Beijing, 100094;3.The Beijing Engineering Lab for "Internet plus" Intelligent Equipment Cloud Services Technology, Beijing, 100094 )

Computional simulation method was adopted in this paper to research on heat dissipation effect of sheet type oil-filled electric radiator, based on VOF free surface model and standard-two-equation turbulence model with CFD code Fluent，obtained the temperature distribution and flow distribution inside the electric radiator, temperature distribution on the outside surface of radiator as also. According to the simulation results of original radiator(Gk1), optimized the internal flow channel and designed out other two structure radiator, one with annular channel connected by vertical channel(Gk2), while another with annular channel connected by horizontal and vertical channel(Gk3). Analyzed the simulation results，we came to the conclusion that the radiator Gk3 dissipated heat with highest efficiency, and chosen Gk3 as final design. Gk3 has been put on the market by Sampux.

Electric Radiator; heat dissipation effect; simulation

1671-6612（2017）03-324-04

TP391.9

A

李哲（1981-），男，博士，E-mail：lizhe@bcc.ac.cn

刘超（1986-），女，硕士，助理研究员，E-mail：liuchao@bcc.ac.cn

2016-05-19