唐子奇

（海軍駐上海江南造船（集團(tuán)）有限責(zé)任公司軍事代表室）

0 引言

高效化、小型化、輕量化、低成本化是導(dǎo)航大功率設(shè)備換熱設(shè)計(jì)的發(fā)展方向，隨著導(dǎo)航大功率裝置中的電子元器件體積的小型化和緊湊式芯片的使用，使得器件的功率密度越來越高，這些熱量聚集在器件周圍，嚴(yán)重影響著器件的壽命及性能，因此需采用額外換熱裝置，以降低器件表面的溫度。目前大功率導(dǎo)航設(shè)備換熱裝置主要以平板翅片為主，重量占需換熱電子裝置重量的 50%以上[1]，由于該翅片側(cè)換熱系數(shù)及空氣側(cè)壓降的不理想，嚴(yán)重影響設(shè)備換熱效果。大量國內(nèi)外學(xué)者對(duì)緊湊型翅片進(jìn)行了長期的研究，以期待提升電子設(shè)備整體換熱性能。田曉虎等[2]利用CFD軟件對(duì)百葉窗翅片空氣側(cè)流動(dòng)進(jìn)行模擬，仿真結(jié)果與試驗(yàn)值有很高的吻合度。Joen等[3]利用實(shí)驗(yàn)對(duì)低雷諾數(shù)狀態(tài)下百葉窗翅片內(nèi)部流場(chǎng)進(jìn)行模擬分析，從層流穩(wěn)定流到非定常流的研究表明翅片形狀會(huì)影響漩渦的脫落狀態(tài)。在強(qiáng)化傳熱方面，Guo等[4]引入了對(duì)流換熱區(qū)域中速度場(chǎng)和溫度場(chǎng)協(xié)同的概念, 并提出了場(chǎng)協(xié)同原理。但上述百葉窗翅片在結(jié)構(gòu)優(yōu)化及性能研究仍需要進(jìn)一步闡明。

本文提出一種改進(jìn)型S型百葉窗翅片，采用Fluent 軟件對(duì)平板翅片、傳統(tǒng)板式百葉窗翅片和S型百葉窗翅片進(jìn)行換熱性能研究，分析并對(duì)比了三種翅片換熱量、壓降、綜合換熱因子等因素。

1 數(shù)學(xué)物理模型

本文仿真模型是假設(shè)每個(gè)翅片間距及流道是均勻的，空氣為不可壓縮流動(dòng)，忽略扁管側(cè)對(duì)空氣側(cè)流動(dòng)的影響，扁管內(nèi)外恒溫及空氣的重力。固體部分采用鋁制定常流材料，采用三維層流模型[5]。計(jì)算遵循三大控制方程。連續(xù)、動(dòng)量、能量方程為

其中，ρ為流體密度，k/m3；u，v，w分別為流體x方向，y方向，S方向的速度矢量，單位是m/s；Γφ為通用變量。

由于翅片具有對(duì)稱性，邊界條件中對(duì)流項(xiàng)采用二階迎風(fēng)差格式[6]，扁管與百葉窗翅片間采用氣固耦合計(jì)算[7]。以其中一個(gè)單元為研究對(duì)象，本文仿真的翅片結(jié)構(gòu)參數(shù)示意圖如圖1所示。

圖1 兩種百葉翅片結(jié)構(gòu)參數(shù)示意圖

網(wǎng)格仿真采用的條件下進(jìn)口溫度為 308K，翅片管壁溫為 338K，迎風(fēng)速度為 4m/s，非結(jié)構(gòu)體網(wǎng)格。換熱性能參數(shù)定義[8]如下：

其中，T是溫度變量，Tmax=Tw-Tin，Tmin=Tw-Tout。Δp是壓降，h是換熱系數(shù)，Nu是努塞爾數(shù)，f是平均阻力系數(shù)，Q是換熱量，A是橫截面積，λ是導(dǎo)熱系數(shù)，R是熱阻，u是粘度系數(shù)，De是水力半徑，Pr是朗普特?cái)?shù)。迭代收斂的指標(biāo)的最大絕對(duì)值小于4×10-6。通過帶入上述公式，仿真后可知網(wǎng)格數(shù)與換熱量及壓降間的曲線關(guān)系，四種不同網(wǎng)格尺寸沿x主流方向努塞爾數(shù)與阻力系數(shù)分布，具體參數(shù)如圖2所示，四種不同網(wǎng)格尺寸相對(duì)誤差表如表1所示。

圖2 四種不同網(wǎng)格尺寸沿x主流方向的努塞爾數(shù)與阻力系數(shù)分布

表1 四種不同網(wǎng)格尺寸相對(duì)誤差表

圖2可已看出當(dāng)網(wǎng)格數(shù)目為I﹑II和III時(shí)，網(wǎng)格數(shù)目的多少對(duì)數(shù)值計(jì)算的結(jié)果影響在工程誤差范圍內(nèi)，由表1可以看出網(wǎng)格數(shù)目為II相比其他網(wǎng)格數(shù)目相對(duì)誤差較小，因此選擇網(wǎng)格數(shù)目II為計(jì)算基準(zhǔn)，網(wǎng)格考核后數(shù)量在28萬左右。同時(shí)為了保證計(jì)算的正確性，確保 各項(xiàng)主要?dú)埐钪翟?0-6以下。

2 S型百葉窗翅片數(shù)值仿真分析

為了驗(yàn)證所提S型百葉窗翅片的性能，通過FLUENT軟件進(jìn)行數(shù)值模擬對(duì)比仿真實(shí)驗(yàn)，對(duì)文中介紹的3種翅片進(jìn)行相關(guān)性能分析。實(shí)驗(yàn)采用上述的 II型網(wǎng)格。翅片寬度Lh=80mm，翅片厚度h1=1.2mm，翅片長度Ld=190mm，翅片水平間距Lp=2mm，平板長度S=18mm，翅片夾角α=27o，翅片間距Fp=2，折角θ=12o，折距（L1/(L1+L2)）為1/3。

圖3 三種翅片換熱量、壓降與進(jìn)口速度的關(guān)系

由圖3（a）可知在相同速度下，S型百葉窗翅片的換熱效果最好，隨著速度增加，S型百葉窗翅片換熱量成線性增態(tài)的趨勢(shì)。由圖4（b）可得三種翅片的壓降隨著進(jìn)口風(fēng)速的增加而呈指數(shù)增加。在相同的工況下，相比傳統(tǒng)板式百葉窗翅片與平板翅片換熱量、壓降的對(duì)比，提出的S型百葉窗翅片換熱量是傳統(tǒng)板式百葉窗翅片換熱量的 1.6～1.8倍。傳統(tǒng)板式百葉窗翅片壓降是提出的S型百葉窗翅片壓降的1.15～1.23倍。

圖4是在進(jìn)口速度為2～7m/s的條件下，仿真S型百葉窗翅片、平板翅片及傳統(tǒng)板式百葉窗翅片單位泵功、單位壓降的換熱量與進(jìn)口速度之間的關(guān)系。從圖4（a）可以看出在相同速度下，S型百葉窗翅片的單位壓降的換熱量最高，單位泵功最高。隨著速度的增加，三種翅片的單位壓降的換熱量均減少，并趨于一定值。在相同的工況下，相比傳統(tǒng)板式百葉窗翅片與平板翅片單位壓降的換熱量、單位泵功的對(duì)比，提出的S型百葉窗翅片單位壓降的換熱量是傳統(tǒng)板式百葉窗翅片單位壓降的換熱量的1.51～1.58倍。傳統(tǒng)板式百葉窗翅片單位泵功是提出的S型百葉窗翅片單位泵功的1.4～1.6倍。

圖4 三種翅片單位泵功、單位壓降的換熱量與進(jìn)口速度的關(guān)系曲線

圖5是在對(duì)數(shù)坐標(biāo)系條件下，仿真S型百葉窗翅片、平板翅片及傳統(tǒng)板式百葉窗翅片努塞爾數(shù)及平均阻力系數(shù)在計(jì)算的雷諾數(shù)區(qū)域分別是呈線性增加和線性下降的趨勢(shì)。從圖5（a）可以看出，在相同的工況下，相比傳統(tǒng)板式百葉窗翅片Nu值，提出的S型百葉窗翅片Nu值最高。Nu值分別是平板翅片的3.498～3.839倍和2.278～2.537倍。從圖5（b）可以看出，S型百葉窗翅片的平均阻力系數(shù)優(yōu)于傳統(tǒng)板式百葉窗翅片。在計(jì)算區(qū)域中，S型百葉窗翅片及傳統(tǒng)板式百葉窗翅片的平均阻力系數(shù)分別是平板翅片的2.428～2.79倍及2.76～3.1倍。

圖5 三種翅片的平均阻力系數(shù)、努塞爾數(shù)與雷諾數(shù)的關(guān)系曲線

圖6是S型百葉窗翅片、平板翅片及傳統(tǒng)板式百葉窗翅片三種翅片的熱性能比較。仿真結(jié)果表明S型百葉窗翅片的傳熱能力最好，平板翅片的傳熱能力最差。三種翅片的熱阻隨著雷諾數(shù)的增加而減少，并逐漸趨于定值。在相同工質(zhì)下，S型百葉窗翅片的熱阻性能是傳統(tǒng)板式百葉窗翅片的熱阻性能的1.2～1.28倍。

圖6 三種翅片熱性能比較

圖7是傳統(tǒng)板式百葉窗翅片、S型百葉窗翅片及平板翅片在兩種不同強(qiáng)化因子下與壓降及單位功泵的關(guān)系。仿真結(jié)果表明，當(dāng)壓降相等時(shí)，S型百葉窗翅片的j/是平板翅片的 2.21～2.332倍，S型百葉窗翅片的j/是傳統(tǒng)板式百葉窗翅片j/的1.5～1.6倍；在相同功泵時(shí)，S型百葉窗翅片j/是平板翅片的2.596～2.75倍，S型百葉窗翅片j/是傳統(tǒng)板式百葉窗翅片j/的1.53～1.62倍。由此可得S型百葉窗翅片的綜合性能優(yōu)于平板翅片及傳統(tǒng)板式百葉窗翅片的綜合性能。

圖7 兩種強(qiáng)化因子的關(guān)系曲線

圖8是當(dāng)v=5m/s時(shí)，沿y=0.0019m方向，S型百葉窗翅片與傳統(tǒng)板式百葉窗翅片沿程阻力系數(shù)和沿程努賽爾數(shù)的分布。由 10（a）可知，在相同條件下，S型百葉窗翅片的沿程換熱能力高于傳統(tǒng)板式百葉窗翅片的換熱能力；由 10（b）可知，S型百葉窗翅片的流動(dòng)阻力基本低于傳統(tǒng)板式百葉窗翅片的流動(dòng)阻力。

3 場(chǎng)分析

為了驗(yàn)證所提的S型百葉窗翅片的換熱性能，通過FLUENT軟件性能對(duì)比仿真實(shí)驗(yàn)，對(duì)文中介紹的幾種翅片進(jìn)行場(chǎng)分析。實(shí)驗(yàn)場(chǎng)采用進(jìn)口溫度是308K，流速5m/s，翅片管帶溫度是338 K。

圖8 沿程參數(shù)分布

圖9是在相同結(jié)構(gòu)參數(shù)下和相同迎風(fēng)速度下，沿x、y軸方向，仿真平板翅片、傳統(tǒng)板式百葉窗翅片及S型百葉窗翅片的流線分布。由上圖可知，S型百葉窗翅片有較大的擾流、導(dǎo)流作用，換熱性最好；平板翅片流速均勻，無擾動(dòng)流存在，換熱性最差。傳統(tǒng)板式百葉窗翅片具有較小擾流、切斷流場(chǎng)的功能，換熱能很強(qiáng)但是壓降比平板翅片高。

圖9 三種翅片的x、y軸方向的流線分布

圖10是在y=0.0019m，相同結(jié)構(gòu)參數(shù)及進(jìn)口速度為 5m/s條件下，平板翅片、傳統(tǒng)板式百葉窗翅片與S型百葉窗翅片的溫度分布。由圖10（c）可知，空氣隨主軸向流動(dòng)減少，垂直方向溫度沿管壁向外逐漸減少，熱邊界相比平板翅片更薄，熱阻更小。因此提出的S型百葉窗翅片換熱量是平板翅片換熱量的3.03倍，是傳統(tǒng)板式百葉窗翅片的1.3倍。

圖10 三種翅片的溫度分布

圖11是在y=0.0019m，相同結(jié)構(gòu)參數(shù)及進(jìn)口速度為 5m/s條件下，平板翅片、傳統(tǒng)板式百葉窗翅片與S型百葉窗翅片的壓力分布。平板翅片間空氣阻力沿主流方向逐漸減少，傳統(tǒng)板式百葉窗翅片間有較大的局部阻力。S型百葉窗翅片有利于液體平緩流動(dòng)的導(dǎo)流結(jié)構(gòu)。因此S型百葉窗翅片壓降是平板翅片壓降的2.72倍。傳統(tǒng)板式百葉窗翅片壓降是S型百葉窗翅片壓降是1.1倍。

圖11 三種翅片的壓力分布

4 結(jié)論

本文利用Fluent軟件對(duì)平板翅片、傳統(tǒng)板式百葉窗翅片和S型百葉窗翅片進(jìn)行換熱性能研究，采用氣固耦合傳熱面方法及SIMPLEC算法進(jìn)行三維數(shù)學(xué)建模型，分析并對(duì)比了三種翅片的綜合性能。仿真結(jié)果表明：

（1）現(xiàn)導(dǎo)航設(shè)備使用的平板翅片流速均勻，且無擾動(dòng)流存在，而傳統(tǒng)板式百葉窗翅片具有較小的擾流和切斷流場(chǎng)的功能，具有較強(qiáng)的換熱能，但是壓降比平板翅片高；S型百葉窗翅片不僅具有較大的擾流作用，可增強(qiáng)換熱力，而且具有導(dǎo)流作用，減少壓降；

（2）當(dāng)2

（3）S型百葉窗翅片強(qiáng)化傳熱的本質(zhì)是存在改善平板翅片中的流場(chǎng)與溫度場(chǎng)的協(xié)同作用。