賈潤澤等

摘要：對設計的橋式翅片換熱器空氣側的傳熱和阻力性能進行了實驗研究，將大量的實驗數(shù)據(jù)進行了線性回歸，得出了在實驗雷諾數(shù)范圍內傳熱和阻力性能關聯(lián)式及特性曲線.對比可知，在相同泵功情況下橋式翅片換熱器比相同尺寸的平直翅片換熱器具有更高的傳熱性能.同時，對以上兩種翅片空氣側的溫度場和速度場進行了數(shù)值模擬，并利用場協(xié)同原理對模擬結果進行了分析.分析結果表明，橋式翅片換熱器具有更高傳熱性能的根本原因在于翅片的橋式布置能有效地改善翅片溫度場和速度場的協(xié)同性.

關鍵詞：橋式翅片；換熱器；實驗研究；數(shù)值模擬；場協(xié)同

中圖分類號：TM925.12 文獻標識碼：A

多年來，人們對散熱器翅片強化傳熱開展了大量研究，并提出了很多有效的強化傳熱的方法，其中將翅片開縫就是其中一種[1].這是因為在翅片上開縫可以破壞邊界層的生長，從而抑制傳熱系數(shù)沿流動方向上的降低.同時將翅片的開縫位置加工成拱橋狀，形成所謂的橋式開縫翅片，其在不減少換熱面積的情況下進一步增大氣流的擾動，這樣有可能會進一步提高開縫翅片空氣側的傳熱性能，但同時也會帶來負面效應，比如增大空氣阻力，增加功率消耗等.

目前對于開縫翅片的傳熱及阻力特性的研究比較多[2-5].李惠珍等[6]對2排X型雙向開縫翅片進行了實驗研究和模擬計算，并將實驗結果與同尺寸的單向開縫翅片和平直翅片進行了比較，研究結果表明開縫翅片的傳熱性能遠高于平直翅片，且X型的雙向開縫翅片的性能要好于單向開縫翅片.Yun J Y等[7]的研究顯示翅片節(jié)距、開縫翅片的縫寬、縫長、縫高、開縫數(shù)及縫的分布等都不同程度地影響其流動和傳熱性能.屈治國等[8]在對平直開縫翅片的傳熱特性進行了數(shù)值模擬的基礎上，進一步應用場協(xié)同理論對計算結果進行了分析，計算結果顯示在速度場和溫度場協(xié)同比較差的區(qū)域開縫要比在場協(xié)同比較好的區(qū)域開縫對傳熱強化更有效.綜合上面分析發(fā)現(xiàn)，對開縫翅片的已有研究主要集中在純開縫形式的翅片上，而對于橋式開縫翅片的流動及傳熱特性的研究還有待進一步的開展.

本文采用實驗研究和數(shù)值模擬的方法，對橋式翅片換熱器和同尺寸的平直翅片換熱器進行了研究，并利用場協(xié)同理論對計算結果進行分析，為橋式翅片換熱器進一步的優(yōu)化設計提供了依據(jù).

1實驗裝置及元件參數(shù)

實驗測試是在標準的風洞實驗臺上進行的，測試采用熱平衡法.實驗臺由風洞、整流柵、恒溫水箱、電加熱器、循環(huán)水泵、水流量測量、水溫控制、壓差測量、閥門、換熱器、溫度傳感器、空氣流量測量、空氣阻力測量、風量調節(jié)裝置、風機、變頻器等組成.實驗臺工作原理如圖1所示.

實驗過程中，通過控制恒溫水浴出口閥門的開度來控制流經換熱器的水量，翅片側空氣的流量則通過改變風機的轉速（2 000～5 200 r/min ，每隔400 r/min 取一個轉速）來加以控制，因此測試共有9個工況點.為提高測量的準確性，每次測量均在工況穩(wěn)定40 min后進行，各工況的熱平衡偏差控制在5% 以內.如圖1所示，各點的溫度依據(jù)空氣及熱水位置的不同，分別采用水銀溫度計和熱阻式溫度傳感器兩種方式進行測量.在空氣側，空氣的流量采用畢托管配傾斜式微壓計進行測量計算，同時，在換熱器前后的風管上設置靜壓測嘴測量空氣通過換熱器的流通壓降.在水側，通過恒溫水浴加熱使換熱器的入口水溫穩(wěn)定在60 ℃，同時在換熱器進出口處設置壓力表對熱水通過換熱器的前后的壓降進行測量.為保證測量的準確性，水流量的測量采用稱重法.

2實驗誤差分析及數(shù)據(jù)整理

實驗測試前為驗證實驗臺的準確性，用光管進行了阻力和傳熱特性實驗，所得的實驗結果與經典的光管布勞修斯公式f=0.316 4Re -0.25及公認的SiederTate 公式計算式Nu=0.027Re 0.8Pr 1/3（μ/μw）0.14的計算結果進行了對比，試驗結果最大偏差均控制在±6%以內，表明本實驗臺具有足夠的精確度.

實驗時管外翅片側為空氣強制對流換熱，管內側為熱水與管內壁的強制對流換熱，再加上管自身的導熱，因此翅片管的熱阻共有3部分組成.應用熱阻分離法[9]，空氣側的對流換熱系數(shù)表達式如下：

3實驗結果

利用最小二乘法對實驗數(shù)據(jù)進行擬合整理，得出橋式翅片管的傳熱和阻力特性實驗關聯(lián)式如下：

傳熱系數(shù)關聯(lián)式為：Nu=6.173Re 0.324 4， 適用范圍為1.59×102< Re<8.2×102 ，最大擬合偏差±1.94%.

氣側阻力系數(shù)關聯(lián)式為：f=0.289 5Re 0.192 5，適用范圍為1.59×102< Re<8.2×102 ，最大擬合偏差 ±3.51%.

平直翅片管和橋式翅片管的傳熱和阻力特性試驗曲線如圖3所示.從圖中可知，隨著Re增大，翅片空氣側的對流換熱系數(shù)h也隨之增大，風阻系數(shù)f也增大；橋式翅片管的對流換熱能力高于平直翅片，但風阻系數(shù)也略高.在實驗的Re范圍內，橋式翅片的傳熱能力比平直翅片平均高52%，風阻系數(shù)平均高25%.通過比較可知，橋式翅片是一種有效強化空氣的傳熱方式.

4數(shù)值模擬

4.1數(shù)值模擬方法

利用有限元分析軟件Fluent對以上2種換熱器的翅片單元進行仿真，由于橋式翅片管換熱器在幾何結構上沿橫向和縱向具有周期性和對稱性，因此可以取相鄰翅片間的對稱區(qū)域為計算單元，如圖4所示.利用三維造型軟件solidworks建立的實體模型導入Gambit進行網(wǎng)格劃分，Gambit中實體建立遵循點—線—面—體的關系，通過此順序將夾層空間建立實體，根據(jù)流道空間形狀，將實體劃分為六面體網(wǎng)格，有利于計算、收斂和提高精度.該計算模型為三維穩(wěn)態(tài)層流不可壓縮流動，因此算法采用simple算法，模型選用laminar.在計算區(qū)域的選取上，沿流動方向上進口取為1.5 L，出口取為5 L以使出口回流影響最小，入口邊界設置為velocityinlet，出口邊界為pressureoutlet，流場的四周邊界設

為symmetry，圓管與流場和翅片的交界面設為wall.計算中假設管壁溫度為固定溫度，翅片的溫度

受到空氣流動和翅片管導熱的影響，需要計算確定，因而這是一個對流與導熱的耦合問題，對此問題的邊界條件處理方法可參見文獻[8].至此，完成在Gambit中網(wǎng)格劃分和定義邊界.

4.2數(shù)值計算結果與臺架實驗結果的對比

橋式翅片管通過兩種方式所得的換熱系數(shù)隨迎面風速的變化曲線如圖5所示.從趨勢上看，數(shù)值計算結果與實驗結果在總體上保持一致，翅片側的對流換熱系數(shù)在實驗風速范圍內皆隨迎面風速的增加而增加.從定量上進行分析，u0=0.8 m/s是個分水嶺，當u0>0.8 m/s時，實驗值高于計算值，當迎面風速u0<0.8 m/s時，實驗值低于計算值；最大誤差出現(xiàn)在u0=2.2 m/s時，誤差為9.8%，說明數(shù)值計算結果和實驗結果符合良好.

4.3數(shù)值計算結果分析

本文同時對橋式翅片和相同尺寸的平直翅片進行了數(shù)值模擬，計算得到的翅片單元溫度場和速度場如圖6，圖7所示.沿流動方向上對流換熱系數(shù)及溫度梯度和速度梯度夾角隨迎面風速的變化曲線如圖8，圖9所示.

從圖6，圖7可以清楚地看到，翅片形式設計成橋式后使得邊界層在翅片臺階處被破壞，有效地減薄了厚度，因而對流傳熱顯著強化.還可以從場協(xié)同理論[10]得到進一步理解，場協(xié)同原理指出，在相同的溫度和速度的邊界條件下，使速度場和溫度梯度的夾角變?。刺岣邎龅膮f(xié)同性），可有效提高換熱效果.由圖6，圖7可知在翅片的進口段，速度與溫度梯度的方向幾乎一致，因而速度與溫度梯度的協(xié)同性很好，換熱強烈，但在流經翅片間隙時，兩矢量的夾角增加，速度與溫度梯度的協(xié)同性明顯變差，因而局部對流換熱系數(shù)下降，如圖8中的曲線所示.

根據(jù)速度和溫度梯度夾角的計算公式[11]：

由上式計算得到的沿流場方向上協(xié)同角隨迎面風速的變化曲線如圖9所示.由圖9可知，平直翅片在整個流場的平均協(xié)同角要高于橋式翅片，而且隨著迎面風速的增加有增大的趨勢.因此可以看出，橋式翅片相對于平直翅片具有更好的溫度場和速度場的協(xié)同性，這也是圖8中橋式翅片空氣側對流換熱系數(shù)沿流動方向下降較慢的原因.

就阻力損失而言，如圖10所示，橋式翅片使流動阻力增加，因而橋式翅片的進出口壓力損失高于相應的平直翅片，但在迎面風速0.6～2.8 m/s的范圍內，橋式翅片的壓力損失的增加幅度小于翅片空氣側對流換熱系數(shù)的增加幅度，綜合評價得出在相同泵功下橋式翅片的傳熱性能比平直翅片高出約50.3%.

5結論

1）實驗測試了橋式翅片換熱器的傳熱性能和阻力性能，得出了該類型翅片換熱器的傳熱和阻力性能關聯(lián)式.

2）與平直翅片實驗結果對比，橋式翅片換熱器的換熱性能更優(yōu)，在風阻系數(shù)增加25%的情況下，平均傳熱系數(shù)高出約52%.

3）通過數(shù)值模擬，得出了相同尺寸的橋式和平直翅片計算單元區(qū)域的溫度場和速度場分布情況，及流動方向上對流換熱系數(shù)沿程變化曲線和不同迎面風速下的壓力損失及協(xié)同角的變化曲線.并用場協(xié)同原理對仿真結果進行分析，分析結果表明翅片橋式布置能有效改善翅片溫度場和速度場的協(xié)同性，因而相同泵功下大幅度增加了翅片的傳熱性能.

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