转向区数目和长度对散热器流动传热性能的影响

胡自成， 高绪浩， 范显旺， 荀贵章， 刘大忠

(1. 江苏大学 能源与动力工程学院， 江苏 镇江 212013； 2. 江苏维创散热器制造有限公司， 江苏 扬州 225261)

管带式散热器是发电机组冷却系统的核心部件，由芯体、水室、主片、侧板及安装支架等通过钎焊工艺焊接而成.芯体是核心部分，由扁管、百叶窗翅片式散热带及上下主片组成[1].管带式散热器传热热阻80%来源于空气侧[2]，众多学者研究了百叶窗翅片结构对散热器空气侧流动传热性能的影响.DONG J. Q.等[3]对20种不同结构参数的百叶窗翅片采集了336个试验数据，进行多元回归和显著性检验，结果表明：翅片间距增大，传热因子和摩擦因子降低；翅片高度增大，传热因子和摩擦因子增大；开窗角度和翅片长度增加，传热因子增加；开窗角度增大，摩擦因子增大；百叶窗间距增大，摩擦因子减小.漆波[4]通过数值模拟获得的最佳结构参数如下：百叶窗开窗角度为27°，翅片厚度为0.1 mm，此时，散热器具有较好的综合性能.王迎慧等[5]对不同翅窗间距比的百叶窗翅片流动传热进行了数值模拟，发现最佳窗翅间距比为1.2.JANG J. Y.等[6]对雷诺数为100～1 000的不同百叶窗结构参数进行了研究，结果表明：百叶窗间距相同时，摩擦因子随百叶窗角度的增大而增大；相同百叶窗角度下，摩擦因子随百叶窗间距的增大而减小.A. VAISI等[7]对管带式散热器进行了性能测试，结果表明：百叶窗对称布置时，散热器传热性能较百叶窗非对称布置时提高9.3%，而对称布置时的压降较非对称布置时低18.2%.JANG J. Y.等[8]、吴学红等[9]通过Fluent对定角度翅片与变角度翅片进行了研究，结果表明：采用变角度百叶窗翅片结构可有效提高散热器综合性能.

由上可见，散热器百叶窗翅片的百叶窗角度、间距、高度和翅片间距、高度、厚度等结构参数都对散热器流动与传热性能有重要影响.转向区长度和数目也是百叶窗翅片散热器重要的结构参数.目前，相关参数对百叶窗翅片散热器流动传热性能影响的研究还很少.杨润泽等[10]建立8种结构形式的百叶窗翅片模型，研究表明增加百叶窗翅片转向区数目可以有效降低进出口压降，但其针对的是汽车空调平行流冷凝器.

笔者针对管带式散热器的传热与流阻特性，建立管带式散热器百叶窗翅片的三维流动和换热模型，计算分析转向区长度和转向区数目对百叶窗翅片换热器的传热和流动特性的影响.

1 计算模型及数据处理

1.1 物理模型及边界条件

散热器扁管单排布置时，扁管和百叶窗翅片结构如图1所示，扁管宽度Dm为2.0 mm，长度Lm为26.0 mm；百叶窗间距Lp为1.5 mm，高度Hp为6.4 mm，角度θ为27°；翅片高度Hd为8.0 mm，长度Ld为26.0 mm，间距Lf为1.6 mm，厚度δ为0.1 mm，进出口长度S2为1.75 mm；扁管和翅片材质均为铝合金3003.主要研究转向区长度和数目对散热器流动换热性能的影响，转向区长度S1分别取1.5、3.0、4.5 mm，转向区数目n分别取1～3个(单排管时)和1～6个(3排管时).

单排管的计算区域和边界条件如图2所示.考虑到散热器结构的对称性与周期性，选择1/2的翅片作为计算区域，包括空气侧流体域和翅片及扁管侧固体域.流道进口采用速度入口，空气迎面风速uin取4～12 m·s-1，进口温度Tin取308 K，出口为压力出口.流体域空气物性参数根据空气进出口平均温度确定，固体域材料参数的材质设定为铝合金3003，其导热系数为160 W·(m·K)-1.百叶窗翅片和流体区域交界面为耦合传热面，假定扁管壁温Tw为恒壁温，Tw=358 K，上下表面为周期性边界条件，表面温度、速度与压力相同.为避免出口回流影响，实际计算区域前后延伸5.0 mm.

1.2 数学模型及网格划分

T. PERROTIN等[11]指出： 以百叶窗间距为特征尺寸，雷诺数为40～1 200时，翅片内空气流动为层流；uin为4～12 m·s-1工况下，雷诺数为376～1 129.模拟采用三维常物性、不可压、层流和稳态模型.连续性方程、动量方程和能量方程分别为

(1)

(2)

(3)

式中：ρ为流体密度；ui、uj、uk为流体沿x、y、z方向的流速分量；cp为比定压热容；T为温度；p为压强；λ为导热系数；μ为动力黏度.

计算单元网格通过ICEM软件进行划分，采用结构化网格和非结构化网格相结合的方法，对扁管、翅片表面的附近区域进行网格加密处理.控制整个计算区域的网格质量不低于0.4，经网格无关性检验，确定计算网格数为70～80万个.

为保证计算精度和收敛稳定性，Fluent采用Laminar模型求解，其中采用SIMPLEC算法对压力和速度进行耦合求解，使用二阶迎风格式进行离散.

1.3 数据处理

在uin为4～12 m·s-1工况下，计算空气侧传热因子j，即

(4)

(5)

(6)

(7)

式中：ReLp为以百叶窗间距为特征长度下的雷诺数；ρa为空气密度；uc为最窄截面处风速；μa为空气动力黏度；ΔTm为对数平均温差；Tw为壁面温度；Ti、To分别为空气的进、出口温度；ha为空气侧换热系数；qm为空气质量流量；A0为空气侧换热面积；Pr为普朗特数.

空气视为不可压缩流体，在uin为4～12 m·s-1工况下，计算摩擦因子f，即

Δp=pin-pout,

(8)

(9)

式中：Δp为进、出口压力差；pin、pout分别为进、出口压力；Ac为最窄截面处空气流通面积；kc、ke分别为空气进、出百叶窗翅片由于面积突缩和突扩而产生的压力损失系数，根据模型尺寸选择kc和ke均为0.

2 结果分析与讨论

2.1 模拟结果验证

为验证模拟结果的可靠性和精确性，将模拟结果与文献[5]通用性及精准性较好的关联式计算结果比较，如图3所示，模拟结果与关联式吻合较好，传热因子和摩擦因子误差分别为7.5%～11.2%和9.3%～14.5%.究其原因，模型简化、空气流动不均匀性和常物性假设导致了误差.

图3 模拟结果与关联式计算结果对比

2.2 转向区数目和长度对j和f的影响

在转向区数目n分别为1～3 个(单排管时)和1～6 个(3排管时)，转向区长度S1分别为1.5、3.0和4.5 mm，uin为4～12 m·s-1工况下的传热因子j和摩擦因子f的变化分别如图4、5所示.

从图4可以看出：转向区数目和长度一定时，单排管和3排管的传热因子都随迎面风速的增加而减小；相同迎面风速下，传热因子随转向区数目和长度的乘积的升高而降低；转向区数目和长度的乘积相同时，传热因子随转向区数目的增加而增加.究其原因：空气侧对流换热系数一般与迎面风速成指数关系(指数小于1.0)，由式(7)可知，转向区一定时传热因子与迎面风速成反比关系；相同迎面风速下，转向区长度与数目乘积增加，意味着翅片中百叶窗占比减少，流经百叶窗的空气份额减少，减弱了对流传热效果；当百叶窗占比相同时，转向区数目增加，使气流多次转向而扰动强化，增加转向区数目，流场经过多次转向，使得流场在翅片表面分布更为均匀.更为均匀的流场增加了破坏翅片表面边界层的能力，从而达到强化传热目的，换热得以强化.

图4 转向区数目和转向区长度对j的影响

从图5可以看出：摩擦因子f与转向区数目、转向区长度和迎面风速的变化规律与图4类似，但当转向区数目和长度的乘积较高时，摩擦因子降低更为明显.究其原因：空气侧为层流，转向区一定时，摩擦因子与迎面风速成反比关系；相同迎面风速下，随着转向区长度与数目乘积增加，翅片中百叶窗占比减少，窗间流份额持续减少，通道内空气流动阻力持续降低.以S1=1.5 mm为例，相同工况下，2个转向区摩擦因子比1个转向区降低4.1%～8.3%.

图5 转向区数目和转向区长度对f的影响

2.3 转向区数目和长度对综合性能的影响

从相同输送功率下传递热量来考虑，引入的综合性能系数[12]为

(10)

式中：j0和f0分别为基准传热因子和基准摩擦因子.

根据工程实际，以1个转向区(单排管时)、3个转向区(3排管时)和转向区长度为1.5 mm作为基准传热因子j0和基准摩擦因子f0的计算条件.转向区数目n、转向区长度、迎面风速uin对综合性能系数JF的影响如图6所示.

图6 转向区数目和转向区长度对JF的影响

从图6可以看出：相对于JF=1.0的工程实际，通过优化转向区长度和数目，JF存在优化空间；单排管时，转向区数目和长度组合为3个和1.5 mm、1个和4.5 mm、1个和3.0 mm、2个和1.5 mm时，综合性能较好，其中以转向区数目为3个、长度为1.5 mm时，综合性能最好；3排管时，转向区数目和长度组合为3 个和3.0 mm、2个和3.0 mm、4个和3.0 mm、2个和4.5 mm时，综合性能较好，其中，以转向区数目为3 个、长度为3.0 mm时综合性能最好.由上可知，和传热因子和摩擦因子不同，综合性能系数与转向区数目和长度的乘积没有必然联系，因此，散热器需要获得较好综合性能，需合理匹配转向区长度和数目.实际应用中，迎面风速和扁管参数一定时，扁管3排布置和单排布置相比，传热和流动性能通常会变差.通过转向区长度和数目的优化匹配，可提升多排布置时的综合性能，从而缩小其与单排布置的差距.

图7 基准翅片与优化后翅片相对值比较

从图7可以看出：转向区长度和数目在常规匹配、不同迎面风速下，3排管和单排管的传热因子、摩擦因子和综合性能系数相对值分别为0.805～0.820、0.870～0.940和1.000，而优化匹配下，相对值分别为0.800～0.810、1.000～1.040和0.970～1.060.转向区长度和数目匹配下，由式(6)-(9)可以看出：和常规匹配相比，优化匹配后3排管的换热系数增加3%，压降减少5%，综合性能得以提升6%，缩小了其与单排管布置时的差距.由此可见，在多排管布置时，应该在单排基础上，同时改变和优化转向区数目和长度，在分析或拟合散热器流动传热性能关联式时，应该考虑转向区长度与数目及其匹配的影响，而这方面还需深入研究.

3 结 论

1) 转向区长度和数目的乘积是影响传热因子和摩擦因子的综合因素，一定迎面风速下，传热因子和摩擦因子随转向区长度和数目的乘积增加而降低，当转向区长度和数目乘积相等时，传热因子与摩擦因子随转向区数目增加而增加.

2) 给定的结构参数下，单排管布置时，转向区长度为1.5 mm和转向区数目为3 个时，散热器综合性能最好；3排管布置时，转向区长度为3.0 mm和转向区数目为3 个时，散热器综合性能最好.

3) 多排管布置时，转向区长度和数目的优化匹配，可有效缩小多排管布置与相应单排管布置时的流动换热综合性能差距.