翼型翅片对管片散热器散热性能的影响

2020-04-08刘佳鑫王宝中钱学成王鑫阁

科学技术与工程 2020年3期

程亮，刘佳鑫,2，王宝中*，钱学成，王鑫阁

(1.华北理工大学机械工程学院，唐山 063210；2.华中科技大学能源与动力工程学院，武汉 430074)

随着社会的不断发展进步，对工程车辆的施工条件要求更加苛刻，需要适应各种恶劣环境(如采石场、森林、沙漠等)的同时还能提供足够的散热能力，以保证发动机能平稳工作。因此，工程车辆散热器散热性能的改善显得尤为重要。

散热器散热性能的改善研究主要集中在对翅片、热管和涡发生器等的研究，其中翅片的研究主要是为了增加翅片换热面积和改善空气流动状态从而增加散热能力；而热管的改善主要是为了降低空气的阻力，以使得沿流道的压力损失最小；涡发生器的加入主要是为了对空气进行扰流，以达到空气与换热表面的充分换热。针对不同的改善机理，不少研究者对散热器的散热性能改善在多方面进行了研究分析[1]。

黄晓明等[2]采用数值计算方法对一种应用于半导体制冷片热端散热的翅片式热管散热器进行模拟，研究自然对流条件下不同翅片参数对散热器换热性能的影响，并结合多目标遗传算法得出优化后的方案使基板热端温度下降3.5 K，散热器热阻降低18.22%。Lei等[3]采用计算流体动力学(computational fluid dynamics, CFD)数值仿真方法，研究涡发生器对新型换热器传热和压降的影响，发现增强后的结构产生了纵向涡旋，加速了流动，在适当的压降损失下，传热显著增强。寇志海等[4]对以微槽道作为吸液芯的平板式热管散热器的传热特性进行研究，结果表明该平板热管散热器的散热能力强，并具有良好的均温特性，在散热冷却领域具有良好的应用潜力。Lin等[5]采用共轭传热数值方法研究间断半环形槽翅片结构对管翅式换热器平均传热和流体流动特性的影响，结果表明间断环形槽具有流体导向和分离涡流抑制的双重作用，减小了尾部区域的尺寸，且在较高的雷诺数时有优异的换热性能，Zhang等[6]利用Fluent对翅片管式中冷器的流动和传热特性进行了数值研究，仿真结果表明，基于多孔介质传热模型的数值计算结果与发动机台架试验结果吻合较好，压降和换热能力随空气流量的增大而增大；同时，冷却剂分布均匀，最大误差在10%以内，这对翅片管式中冷器的改进研究具有重要意义。Habibian等[7]利用数值模拟对三种翅片结构和纳米流体对散热器散热性能的影响进行研究，结果表明百叶翅片换热率最高，与纯水相比，添加氧化铜和氧化铝纳米颗粒提高了传热速度，弥补了防冻剂的有害影响，提高了传热速度。Khoo等[8]研究了一种新型斜管结构，这种设计使管后的空气再循环去更小，从而增加有效的传热面积。Salviano等[9]基于单纯形法结合流固共轭传热仿真研究了直列和交错排列的涡发生器对翅片管紧凑换热器的换热性能的影响，目的是找到一个涡发生器相关参数的最优组合。

为了获得更高的传热，通常会产生较大的空气侧压降，从而消耗更多的能量。由于翼型结构的气体流动性能和传热性能较好，近年来一些学者对其在散热器等领域的传热性能方面进行了研究。冯少聪等[10]为提高某工程车辆散热器综合性能,对其进行性能分析和结构优化。以降低压力损失为前提,选用NACA23021翼型建立散热器热管模型。结果表明在仿真区间内，NACA23021翼型管翅片的综合评价因子较扁平管翅片平均高出约23%，较NACA0018翼型管翅片平均高出约9.7%。Suabsakul等[11]选用改进后的NACA0024型翼型插入体，改善了管内的传热性能，结果表明雷诺数为4 196时，换热比、摩擦比和换热强化性能均达到最大值；倾斜角度为45° 的改性NACA0024在平板管上的换热增强效果最好，约为普通管的3倍，最大换热增强性能为1.45%。

综上所述，改善空气在气体流道中的流动形式，以达到空气与换热面的充分换热是改善散热器散热性能的主要方法。为获得最佳的散热性能，首先，采用翼型和翅片结构相结合的方式(简称翼型翅片)使空气由平流转化为湍流增强换热，该方式在对空气达到扰流并增强换热之后，由于翼型结构的流动性好，对空气沿程的压力损失影响特别微弱。然后研究了翼型翅片的布置方案、布置位置和翼型类型对换热系数和压力损失的影响；最后通过田口方法设计正交试验，寻找最优的配置方案，为寻找一种相对改善最明显的翼型翅片配置方案提供经验认知。

1 数值分析

1.1 物理模型

管片散热器结构如图1所示。具体单元体模型及结构参数参考文献[12]。空气为工作流体，翅片材料为铝，将计算区域向气体入口和出口方向分别延长水力直径的1.5倍和5倍[13]，利用均匀入口边界条件和压力出口条件。

虚线所围的区域为所要计算的单元体模块区域；x、y、z分别为展向坐标、流向坐标和法向坐标

1.2 控制方程和边界条件

流体流动假定为湍流、不可压缩和没有损耗的，并通过求解三维连续性、动量和能量方程进行数值模拟。假设固体为各向同性，管壁假设为恒温。部分边界条件如图2所示。其他边界条件设置参考文献[14-15]，连续性方程、能量方程和动量方程如下。

连续性方程：

(1)

能量方程：

(2)

动量方程：

(3)

式中：下标i、j、k分别为变量在x、y、z方向的分量；ρ为密度；u为速度矢量；E为总能量；p为压强；keff为有效热导率；T为流体温度；μ为流体黏度。

雷诺兹应力采用Boussinesq假设计算，计算公式如式(4)所示：

(4)

图2 边界条件设定

1.3 仿真结果与试验验证

对整个计算区域采用结构性和非结构性网格混合的形式划分网格。为提高仿真计算的准确度，对靠近壁面的单元进行改良，对相应的边界层网格进行加密，部分网格如图3所示。对网格独立性进行检测，确定模型的整体网格单元数量为6.0×106左右。使用Fluent 15.0，采用3D、Pressure Based求解器，引用隐式方程求解，进行稳态计算。

图3 局部网格加密

利用刘佳鑫[16]的实验结果验证该仿真结果的有效性。图4所示为管片散热器试验原始数据和通过数值模拟得到的换热系数和压力损失的对比曲线图。结果表明，换热系数h的平均偏差为2.32%，压力损失ΔP的平均偏差为2.51%，仿真结果与试验原始数据吻合较好。

图4 仿真和试验数据验证

2 翼型翅片性能研究

工程车用散热器一般工作在环境比较恶劣的条件下，在改善散热的问题上一方面需要考虑增大换热量的同时尽可能减小压力损失的增加；另一方面则需要考虑沙尘、树叶等因素对散热器进风口及流道内空气的堵塞问题。然而翼型翅片相比波纹翅片、锯齿翅片和涡发生器的改善方法解决了这类问题。翼型翅片结构在增加换热性能的同时，由于翼型的流动性能较好，对空气的阻力影响不大；同时与扁平翅片类似，不容易沉积杂物，有效地降低了散热器的管理成本和增加了散热器的使用寿命。

翼型翅片散热器单元体结构如图5所示，分别在五排热管的中间位置冲压出翼型凸起，主要为了对管片散热器在空气流通的方向进行扰流，以达到增强换热的目的。具体翼型的控制方程参考文献[17]，结构参数如表1所示。

图5 翼型翅片模型

表1 翼型翅片的部分结构参数

采用相同的仿真模拟条件对翼型翅片单元体模型进行数值仿真，并与原始扁平翅片进行对比分析。如图6所示为入口流速6 m/s时扁平翅片与翼型翅片的单元体温度云图。由图6可知，在气体横向流经第二排热管的时候，在翼型翅片附近气体温度明显有升高的趋势；在气体纵向流经方向上能更加明显看出气体在翅片附近的高温区域明显变宽，说明空气与翅片的热交换更加充分。这可能是因为翼型翅片使得空气在流动方向上由平流向湍流转化，空气与翅片之间更充分的接触，换热更明显。在图中还观察到翼型翅片出口处温度为75.36 ℃，比扁平翅片高出3.62%。

图6 改善前后单元体温度云图

图7所示为空气流速6 m/s时的扁平翅片和翼型翅片的单元体速度云图。由图7可知，两者的速度云图分布规律大致相同，但在空气横向方向上明显看出翼型翅片结构在翼型重心附近处的速度显著升高，这可能是因为空气在此处与翅片充分换热，使得空气温度升高，从而空气受热膨胀引起速度升高。在空气横向方向上与原始扁平翅片相比能明显看出翼型头部处速度降低，在翼型重心附近速度显著升高，翼型尾部速度无明显变化。这可能是因为相比扁平翅片，翼型翅片在头部位置处对空气的阻力影响较为明显，但由于翼型结构的空气流动性较好，使得空气在流经翼型翅片时与翅片充分换热，速度升高，从而达到在翼型翅片尾部附近与原始扁平翅片相同的速度分布趋势。

图7 改善前后单元体速度云图

通过分析翼型翅片与扁平翅片的单元体温度与速度云图，可以发现翼型翅片结构在翅片附近明显增大了与空气之间的换热，但是对空气的流动性的影响仅仅在翼型的头部的小范围内，几乎可以忽略不计。所以采用的综合评价因子对散热器换热性能的评价的方法[10-11,13]对原始扁平翅片结构与翼型翅片结构进行对比，结果如图8所示。由图8可知，进气速度为2 m/s时综合评价因子相差最明显，翼型翅片比扁平翅片高出14.57%，随着速度增加，相差越来越小；进气速度为12 m/s时翼型翅片比扁平翅片高出5.73%。这可能是因为当速度较低时空气经过翼型头部附近对空气的冲击阻力较小，且空气与翅片间的换热也较为明显；当速度逐渐升高时，空气流经翼型翅片时产生的空气阻力明显增加，使得空气逐渐偏离翼型翅片表面，换热效果不明显。

图8 改进前后综合评价因子对比

3 不同因素的影响研究

通过研究翼型翅片的结构组成与冲压位置，分别考虑三种翼型类型、翼型方案布置和翼型位置对翼型翅片的换热系数与压力损失的影响，从而设计三因素三水平的正交实验以寻找相对最优的翼型翅片的配置方案。其中三种因素变化的结构简图如图9所示。

图9 三种影响因素变化

3.1 三种因素变化对换热系数的影响

图10所示为三种因素变化的情况下对换热系数的影响。总体看来翼型种类和翼型方案对换热系数的影响较大，翼型的位置对换热系数的影响较小。其中翼型方案2相对其他两种方案的换热系数更大，速度为6 m/s时方案2的换热系数比方案3高出约1.1%，这可能是因为方案2对气体的导流作用更加明显；翼型类型NACA0025对换热系数的影响最为明显，速度为6 m/s时相比NACA0015翼型高出约1.4%，这可能是由于NACA0025翼型的换热面积较大，换热效果更明显；翼型的位置变换对换热系数几乎没有影响。

图10 三种因素对换热系数的影响

3.2 三种因素变化对压力损失的影响

图11所示为三种因素变化的情况下对压力损失的影响。总体看来翼型种类和翼型方案对压力损失的影响较大，翼型的位置对压力损失的影响较小。其中翼型方案2相对其他两种方案的压力损失更大，在速度6 m/s时方案2的压力损失比方案1高出约4.8%，这可能是因为方案2对气体的流动阻力较大；翼型类型NACA0025对换热系数的影响最为明显，在速度6 m/s时相比NACA0015翼型高约3.6%，这可能是由于NACA0025翼型的面积较大，空气阻力较为明显；翼型的位置变换对换热系数的影响几乎没有。

图11 三种因素对压力损失的影响

3.3 三种因素不同组合对综合评价因子的影响

表2所示为通过田口法设计的L9(33)正交实验表。首先通过正交实验表建立相应的物理模型，然后采用与原始翼型翅片相同的仿真条件对其进行数值模拟，最后以进气口速度为6 m/s时的综合评价因子大小作为方案优劣的判定标准。通过标准正交实验的分析方法，分别求出每种因素的每个水平对应的综合评价因子的平均值(如I/3为第一种因素条件下第一种水平的综合评价因子平均值)，通过因素不变每种水平的综合评价因子的平均值大小分析每种因素下最优的水平条件。最后得出最优方案为翼型翅片采用方案2、翼型翅片类型为NACA0015和翼型翅片位置为左移2 mm。最后将最优方案进行数值仿真分析并与其他9组进行对比，如图12所示，其中最优组合的改善最为明显，相比原始翼型翅片模型在速度6 m/s时综合评价因子高出约2.1%，相比正交实验组合中最小的高出约4.2%。最后通过求得每种因素下3个水平的综合评价因子极差(R)得出3种因素对综合评价因子的影响从大到小依次为翼型翅片类型、翼型翅片方案和翼型翅片位置。该研究为翼型翅片在工程车辆的散热器中的应用提供了经验认知。