陳金友，漆波

（1.湖南財(cái)經(jīng)工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，湖南 衡陽 421002；2.南華大學(xué)，湖南 衡陽 421001)

管翅式散熱器是熱水型熱交換設(shè)備之一，普遍應(yīng)用于采暖行業(yè)中，管翅式散熱器工作過程較為簡單，高溫?zé)崴M(jìn)入翅片管，高溫?zé)崴c翅片管內(nèi)壁通過對(duì)流換熱的方式進(jìn)行熱交換，以熱傳導(dǎo)的方式將能量從翅片管內(nèi)表面?zhèn)鞯酵獗砻?，最后通過對(duì)流換熱的方式將熱量從翅片管外壁傳到周圍環(huán)境空氣。散熱器性能的優(yōu)劣對(duì)工作效率、能效等級(jí)和生產(chǎn)成本等有直接影響作用。散熱器由于缺乏理論研究，使散熱器在設(shè)計(jì)、生產(chǎn)過程中缺失理論指導(dǎo)，使生產(chǎn)的散熱器換熱性能不良。市場作用下為了滿足客戶對(duì)散熱器散熱量的要求，企業(yè)通過增大散熱器尺寸的方式滿足顧客訴求，增大散熱器尺寸的同時(shí)也增加了其安裝尺寸及生產(chǎn)材料成本。因此對(duì)管翅式散熱器做理論研究、規(guī)律探索、關(guān)鍵影響因素分析是資源節(jié)約的要求。

1 數(shù)學(xué)物理模型的建立

1.1 物理模型

倒T型布置的4根翅片管其布置位置如圖1所示，其位置結(jié)構(gòu)參數(shù)如表1所示。對(duì)倒T型散熱器進(jìn)行模擬仿真研究，關(guān)鍵在于計(jì)算4跟翅片管換熱量大小。

圖1 翅片管倒T型布置物理模型

表1 管翅式散熱器結(jié)構(gòu)參數(shù)

1.2 數(shù)學(xué)模型

管翅式散熱器模擬仿真過程中，散熱器換熱主要是翅片管內(nèi)外壁之間、管道與翅片之間的導(dǎo)熱、翅片管與周圍空氣間的對(duì)流換熱，這一類換熱屬于典型的流固耦合換熱，進(jìn)行流動(dòng)數(shù)值計(jì)算時(shí)同時(shí)滿足三大守恒定律，質(zhì)量守恒定律、動(dòng)量守恒定律和能量守恒定律具體的控制方程表達(dá)式如下。

（1）質(zhì)量守恒方程

其中：ρ表示流體的密度；t表示時(shí)間；u、v、w分別表示速度矢量在x、y、z方向上的分量。

（2）動(dòng)量守恒方程

（3）能量守恒方程

其中：cp表示比熱容，單位；T表示溫度，單位；k為流體的傳熱系數(shù)，單位；ST為粘性耗散項(xiàng)，即在粘性作用下流體機(jī)械能轉(zhuǎn)化為熱能的部分。

采用壓力進(jìn)口、壓力出口邊界條件，總溫設(shè)置為291K，入口邊界上的湍流動(dòng)能k為1，湍流耗散率e為1，進(jìn)口空氣物性參數(shù)為：定壓比熱容,導(dǎo)熱率：，動(dòng)力粘度：。假定壁面溫度從上到下依次為348K、346 K、344 K、342 K。

本文中對(duì)速度、溫度變化相對(duì)較小的翅管和翅片區(qū)域采用六面體的結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，這樣在不影響結(jié)果的前提下，減小計(jì)算量；速度、溫度變化相對(duì)較大的其他區(qū)域，該區(qū)域采用三維非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，網(wǎng)格相對(duì)更小些，緊密些，此過程更多的關(guān)注計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確度。

經(jīng)過網(wǎng)格無關(guān)性檢測(cè)，倒T型管翅式散熱器模型網(wǎng)格數(shù)量為150萬個(gè)左右，整體網(wǎng)格劃分情況如圖2所示，翅片管網(wǎng)格劃分情況如圖3所示。

圖2 翅片管倒T型布置整體網(wǎng)格劃分

圖3 翅片管倒T型布置翅片管網(wǎng)格劃分

2 數(shù)值模擬結(jié)果與分析

2.1 數(shù)值計(jì)算結(jié)果

對(duì)倒T型管翅式散熱器進(jìn)行Fluent仿真計(jì)算，計(jì)算結(jié)果（包括四根翅片管各自換熱量）如表2所示，散熱器溫度場分布圖如圖4所示，散熱器速度場分布圖如圖5所示，散熱器速度場矢量圖如圖6所示，散熱器局部速度場矢量圖如圖7所示。

表2 倒T型管翅式散熱器計(jì)算結(jié)果

2.2 結(jié)果分析

從表2結(jié)果分析得出：倒T型管翅式散熱器不同的翅片管散熱能力相差較大，第一根翅片管散熱量占總散熱量的38.36%，第二根翅片管散熱量占總散熱量的42.41%，第三根翅片管散熱量占總散熱量的14.55%，第四根翅片管散熱量占總散熱量的4.68%，所以倒T型管翅式散熱器采用三根翅片管和四根翅片管在散熱能力上區(qū)別不大，考慮生產(chǎn)材料等成本，建議采用三根翅片管。

圖4 翅片管倒T型布置翅片管溫度等值線圖

圖5 翅片管倒T型布置翅片管速度分布云圖

圖6 翅片管倒T型布置翅片管速度分布矢量圖

從圖4結(jié)果可以看出：倒T型管翅式散熱器結(jié)構(gòu)上屬于對(duì)稱性散熱器，但是結(jié)果顯示下面水平方向?qū)ΨQ的兩根翅片管溫度卻不一樣，右側(cè)翅片管的溫度低于左側(cè)翅片管的溫度。

圖7 翅片管倒T型布置翅片管出口局部速度矢量放大圖

從圖5、圖6結(jié)果可知，外殼與翅片管有一定的間隙，存在少量的流體從翅片兩側(cè)繞過，并且速度相對(duì)較大，其結(jié)果的出現(xiàn)主要是受到翅片管阻力的影響?；谝陨戏治隹梢缘玫剑航Y(jié)構(gòu)對(duì)稱的倒T型管翅式散熱器其所引起的溫度場和流場分布并不完全對(duì)稱，不同翅片管間的溫度不完全一樣，流體流經(jīng)翅片管受到的阻力也不完全相同。

從圖7可以看出，流體經(jīng)過翅片管以后，大量流體從出口中心部分流出，且中心流體的速度相對(duì)較高，少量的流體從兩側(cè)流出，且流速較低，并且在流體出口附件有回流產(chǎn)生的跡象，不利于散熱器內(nèi)空氣流動(dòng)，同時(shí)阻礙散熱能力的提高。

3 結(jié)語

倒T型散熱器布置在中間的兩根翅片管能讓氣流組織分布更加合理，同時(shí)翅片管兩側(cè)存在回流的現(xiàn)象，這樣不同程度地提高第一根、第二根翅片管的散熱能力，同時(shí)減弱了第四根翅片管的散熱效果。因此翅片管呈倒T型布置方式下可以考慮減少第四根翅片管，采用三根翅片管，這樣對(duì)散熱器性能影響較小，同時(shí)可以大幅度減小散熱器尺寸，有效降低散熱器生產(chǎn)成本。