劉妮,賀劍鋒,崔強,張華,單小豐,靳曉堂

1.上海理工大學(xué) 能源與動力工程學(xué)院 上海 200093;

2.上海北特科技股份有限公司 上海 201807

1 引 言

近年來,電動汽車由于不需要排放二氧化碳,不依賴化石燃料,逐漸成為汽車行業(yè)未來的發(fā)展方向.電動汽車在冬季制熱時多采用PTC電加熱器,嚴重影響汽車的續(xù)航里程.在低溫-10℃時,采用PTC電加熱器采暖能使電動汽車的續(xù)航里程下降50%以上,而利用熱泵空調(diào)系統(tǒng)采暖可以使續(xù)航里程提升35%以上[1],因此車用熱泵空調(diào)系統(tǒng)便應(yīng)運而生.而車外換熱器作為熱泵空調(diào)系統(tǒng)的重要部分,不同于傳統(tǒng)汽車空調(diào)室外換熱器只做冷凝器,在熱泵系統(tǒng)中,室外換熱器兼顧冷凝器與蒸發(fā)器兩種功能,因此提高室外微通道換熱器性能的研究具有實際意義.

目前對于室外換熱器研究主要集中在換熱器的結(jié)霜特性[2～5]與百葉窗結(jié)構(gòu)對室外換熱器傳熱與流動特性的影響上.谷波等[6]研究了百葉窗結(jié)構(gòu)變化對微通道換熱器傳熱和流動性能的影響,發(fā)現(xiàn)采用較大的百葉窗間距和翅片間距會使傳熱性能下降.趙松田[7]分析了換熱器進口空氣濕度、風(fēng)速和布置傾角對整體性能的影響,實驗表明,迎面風(fēng)速對換熱器空氣側(cè)壓降影響很大.張克鵬[8]研究發(fā)現(xiàn)翅片開窗角度為45°且開窗數(shù)為14個時,微通道換熱器空氣側(cè)換熱量最大,壓降相對較小.劉欣欣等[9]提出一種新型變截面百葉窗翅片,與傳統(tǒng)的矩形翅片相比,綜合性能因子JF提高了7.65%.楊鳳葉等[10]提出一種換熱性能更佳的雙梯形百葉窗結(jié)構(gòu),得出當(dāng)雙梯形百葉窗間距L P=1.3 mm、翅片間距F P=1.4 mm時,綜合性能最佳.徐博等[11]采用ε-NTU法建立了微通道換熱器數(shù)值模型,計算翅片參數(shù)對傳熱性能的影響,結(jié)果表明換熱系數(shù)與翅片間距呈負相關(guān),與開窗角度呈正相關(guān).Arslan Saleem等[12]研究了不同翅片結(jié)構(gòu)微通道換熱器的空氣側(cè)熱工性能研究,結(jié)果表明百葉窗間距為1.0 mm的翅片在換熱和壓降特性方面具有最佳效果.張劍飛等[13]研究發(fā)現(xiàn)微通道換熱器空氣阻力與換熱量和迎風(fēng)面積相同的平翅片圓管換熱器空氣阻力相當(dāng),認為獨特的扁管結(jié)構(gòu)和較小的換熱器厚度是其減小空氣阻力的有效手段.薛慶峰等[14]研究了流道布局對微通道平行流車外換熱器換熱和壓降性能的影響,結(jié)果表明,制冷工況下車外換熱器采用1∶3的流道布局時,換熱量優(yōu)于其他兩種布局,但其壓降更大.丁鎏俊等[15]研究了流程數(shù)、各流程扁管布置方式、扁管寬度和內(nèi)孔高對室外換熱器換熱及壓降的影響,在傳熱和壓降的限制下應(yīng)采用低流程數(shù),適當(dāng)增加扁管寬度和孔高.Jun Yu等[16]采用實驗和數(shù)值模擬相結(jié)合的方法對換熱器外平行流動微通道進行了研究,實驗結(jié)果表明,隨著進氣壓力和進氣流量的增加,傳熱速率增加.Amirnordin等[17]模擬分析,得出增加翅片間距時,傳熱系數(shù)增加的同時壓降減小;而增加百葉窗間距時,傳熱系數(shù)和壓降均減小.Kim和Bullard[18]對比了開窗角度、翅間距對空氣側(cè)換熱的影響,發(fā)現(xiàn)當(dāng)開窗角大于23°時增大翅間距換熱系數(shù)會增大,且翅片間距對換熱的影響會伴隨雷諾數(shù)的差異而減弱.目前對于百葉窗結(jié)構(gòu)對微通道換熱器傳熱和流動性能的影響已有一定的研究,但依然不夠完善.

為了提升室外換熱器的流動換熱性能,本文建立了百葉窗翅片換熱器三維模型,采用數(shù)值模擬研究了翅片間距和開窗角度對空氣側(cè)傳熱和流動特性的影響,得到了兩者對傳熱流動的影響規(guī)律,并選取最佳間距和開窗角度.

2 數(shù)值模擬方法

2.1 物理模型

微通道換熱器翅片由鋁制成,根據(jù)翅片幾何結(jié)構(gòu),將所研究翅片外側(cè)空氣域進行建模.將翅片邊緣處溫度視為與扁管外壁面相同溫度.如圖1,設(shè)置計算域上下兩表面為周期面,水平方向兩表面為對稱面,高度為一個管間距;左側(cè)為空氣速度進口,為保證來流均勻,將計算區(qū)域向上游延伸2倍翅片間距;右側(cè)為空氣壓力出口,相對壓力為0 Pa,將計算區(qū)域向下游延伸以防出口區(qū)域回流產(chǎn)生[19];翅片表面溫度分布由翅片內(nèi)部熱傳導(dǎo)與空氣對流換熱耦合求解.將室外換熱器翅片結(jié)構(gòu)尺寸,列于表1中.

表1 百葉窗結(jié)構(gòu)參數(shù)

圖1 計算區(qū)域示意圖

2.2 網(wǎng)格劃分及獨立性驗證

計算域網(wǎng)格由ICEM生成,由于百葉窗翅片結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜,整體劃分精度較低,所以對計算區(qū)域進行分塊處理.計算區(qū)域網(wǎng)格劃分如圖2～3,固體域翅片及倒流邊界部分采用結(jié)構(gòu)網(wǎng)格,對流體域中與翅片接觸部分采用四面體非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格,其它區(qū)域應(yīng)用六面體非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格,最后對接觸區(qū)域流固耦合處理.由于翅片表面附近流體溫度速度變化比較劇烈,因此對翅片接觸面進行邊界層處理.邊界層網(wǎng)格分三層,設(shè)置增長率為1.2,最大厚度0.05 mm,進口區(qū)域網(wǎng)格尺寸設(shè)置為1 mm,出口區(qū)域網(wǎng)格尺寸為2 mm,翅片與空氣接觸區(qū)域最大網(wǎng)格尺寸為0.1 mm.

圖2 固體域翅片網(wǎng)格劃分示意圖

圖3 流體域空氣網(wǎng)格劃分示意圖

在進行數(shù)值模擬之前,需對網(wǎng)格進行獨立性分析,確定模擬結(jié)果與網(wǎng)格數(shù)量無關(guān).網(wǎng)格獨立性分析方法為比較相同模型在不同網(wǎng)格數(shù)量下所求得的Colburnj因子與阻力因子f的相對差值.本文對三套不同數(shù)量網(wǎng)格(110萬、230萬、560萬)進行獨立性分析,計算結(jié)果如圖4所示.

圖4 網(wǎng)格獨立性驗證

網(wǎng)格數(shù)量110萬與230萬之間Colburnj因子的最大偏差為4.86%,平均偏差為3.95%;阻力因子f最大偏差為12.23%,平均偏差為10.99%.網(wǎng)格數(shù)量230萬與560萬模型之間Colburnj因子的最大偏差1.56%,平均偏差為0.91%;阻力因子f最大偏差為1.23%,平均偏差為0.8%.230萬網(wǎng)格數(shù)值結(jié)果可認為獨立,本文對空氣側(cè)流動傳熱模擬采用網(wǎng)格數(shù)為230萬.

2.3 模型可靠性驗證

對比本文模擬結(jié)果與采用Chang& Wang[20]實驗關(guān)聯(lián)式計算結(jié)果,得出圖5,由圖可知,50≤Re≤950范圍內(nèi),數(shù)值模擬結(jié)果得出的Colburnj因子與Chang & Wang實驗關(guān)聯(lián)式最大偏差為9.1%,平均偏差為7.8%;阻力因子f數(shù)值與實驗關(guān)聯(lián)式最大偏差為11.52,%,平均偏差為7.35%.數(shù)值計算結(jié)果與實驗關(guān)聯(lián)式計算結(jié)果之間的偏差符合一般工程應(yīng)用要求,且變化規(guī)律相同,因而本文使用模型的正確性得到驗證.

圖5 模擬結(jié)果與實驗關(guān)聯(lián)式的Colburn j因子與阻力f因子對比圖

3 結(jié)果及分析

通過以下幾個參數(shù)對空氣側(cè)流動傳熱進行研究:空氣側(cè)換熱系數(shù)h、壓降ΔP、Colburnj因子、阻力因子f以及綜合能效因子JF[21],其中JF是一個無量綱數(shù),用以衡量相同輸入功率下所能達到的換熱性能,可用來評價空氣側(cè)流動換熱的綜合性能,其參數(shù)定義如下:

3.1 翅片間距對流動傳熱的影響

對翅片深度16 mm,翅片高度5 mm,開窗角度27°,翅片間距1.0 mm,1.4 mm,1.8 mm進行數(shù)值計算,分析翅片間距對微通道室外換熱器空氣側(cè)傳熱和流動的影響.空氣側(cè)換熱系數(shù)隨進風(fēng)風(fēng)速Vin變化規(guī)律如圖6所示,進風(fēng)風(fēng)速Vin一定時,空氣側(cè)換熱系數(shù)隨翅片間距的減小而相應(yīng)增大;翅片間距一定時,空氣側(cè)換熱系數(shù)隨進風(fēng)風(fēng)速的增大而增加.

圖6 翅片間距對空氣側(cè)翅片換熱系數(shù)的影響規(guī)律

隨著進風(fēng)風(fēng)速的增大,翅片間距1.4 mm與翅片間距1.0 mm對應(yīng)的換熱系數(shù)之間的差值逐漸減小,結(jié)合圖7不同翅片間距下溫度云圖可以看出,百葉窗翅片在進風(fēng)風(fēng)速4 m/s時,翅片間距的增大導(dǎo)致整個空氣域的溫度有所下降,并且在中心過渡區(qū)和出口段溫度變化較為明顯,其原因是百葉窗翅片間距較小時,空氣主要從百葉窗通道流過,流動過程中流道長度增加,空氣與翅片換熱更加充分,換熱效率高,因而中心平面與出口處溫度較高.當(dāng)翅片間距較大時,空氣與百葉窗的擾動減弱,百葉窗通道流作用性減弱,管導(dǎo)向流的作用性增強,更多的空氣流經(jīng)管導(dǎo)流通道,因此換熱效果減弱.由于百葉窗翅片與空氣擾動減弱,所以F p增大后流動阻力也應(yīng)呈現(xiàn)下降趨勢,從圖8也可佐證這一觀點.另外從圖8還可以看出,隨著翅片間距的增加,空氣側(cè)壓降逐漸減小.

圖7 不同翅片間距下的空氣側(cè)溫度場示意圖

圖8 翅片間距對空氣側(cè)壓降的影響規(guī)律

如圖9所示,雷諾數(shù)較低時Colburnj因子隨F p的增大而減小,然而這種趨勢隨著雷諾數(shù)的增加而減弱,并且高雷諾數(shù)下F p=1.0 mm時的Colburnj因子基本與另兩組重合.這表明在低雷諾數(shù)下,較小的翅片間距更有助于強化空氣與百葉窗間的換熱,而當(dāng)雷諾數(shù)增大后這種促進效果有所降低,此時應(yīng)從其他指標因素去衡量.在空氣側(cè)阻力方面,從圖9中的阻力因子f曲線可以看出,增大翅片間距有助于降低空氣側(cè)的流動阻力,但當(dāng)雷諾數(shù)升高后,想要降低流動阻力,單單提升F p效果并不明顯.

圖9 不同翅片間距下的Colburn j因子與阻力因子f變化情況

不同翅片間距下JF因子變化如圖10所示,在Re＜300時增大F p會導(dǎo)致JF因子小幅下降;當(dāng)Re＞300時JF因子隨F p的增大而升高.鄧敏鋒[22]通過數(shù)值模擬,在不同迎面風(fēng)速下研究得出空氣側(cè)的換熱系數(shù)和壓降均與翅片間距呈負相關(guān).董軍啟[23]給出了不同翅片間距F P時,j因子和f因子隨Re的變化曲線,發(fā)現(xiàn)隨著翅片間距F P的增加,傳熱j因子和摩擦f因子而降低,兩者與本文研究發(fā)現(xiàn)相契合.綜合JF因子與上述各參量變化趨勢后,本文室外換熱器翅片參數(shù)中的翅片間距取1.4 mm更為適合.

圖10 不同翅片間距下的JF因子變化情況

3.2 翅片開窗角度對流動傳熱的影響

百葉窗翅片通過對空氣的擾動形成邊界層,來引導(dǎo)空氣流向,開窗角度θ作為百葉窗翅片關(guān)鍵結(jié)構(gòu)參數(shù),對空氣側(cè)流動換熱有著重要影響.對翅片寬度16 mm,翅片間距1.4 mm的百葉窗翅片,空氣進風(fēng)風(fēng)速Vin=1.0～6.0 m/s,開窗角度23°、27°、30°進行數(shù)值計算,分析了翅片開窗角度對微通道室外換熱器傳熱和流動的影響.不同開窗角度θ下空氣側(cè)的換熱系數(shù)和壓降的變化趨勢如圖11所示,當(dāng)開窗角度一定時,換熱系數(shù)與壓降均隨進風(fēng)風(fēng)速的增大而升高.對比相同進風(fēng)風(fēng)速下不同開窗角度曲線,發(fā)現(xiàn)增加開窗角度后換熱系數(shù)h會呈現(xiàn)先增加后減小的趨勢,可以判斷出存在一個最佳開窗角度值,在該值下百葉窗翅片空氣側(cè)換熱最優(yōu).

該現(xiàn)象符合Kajino[24]提出的邊界層沖擊理論,該理論表示百葉窗類翅片強化換熱機理在于每一個百葉窗翅片前端形成的薄邊界層,而這類邊界層通常在氣流的影響下是不平衡的,具體表現(xiàn)在百葉窗上下表面的換熱能力上,百葉窗總換熱能力是上下表面換熱能力之和,在某個環(huán)境條件下存在閾值.結(jié)合圖12溫度場進行分析,發(fā)現(xiàn)開窗角度θ的升高整個空氣域溫度略微下降.設(shè)定來流方向為正方向,在進口迎風(fēng)面位置(圖示A區(qū)域),隨著開窗角度θ的升高,百葉窗正面溫度有所下降,百葉窗背面溫度呈現(xiàn)上升趨勢,這是由于翅片角度增大后,空氣中百葉窗導(dǎo)向流所占比例隨之增大,隨后達到臨界值,到達臨界值之后,空氣側(cè)流動方式管導(dǎo)向流所占比例增加,增強了百葉窗翅片背面換熱,因而導(dǎo)致了百葉窗翅片正背面溫度差異.

由圖11與圖13可以看出,空氣側(cè)壓降Δp會隨開窗角度θ的增大而有所升高.開窗角度θ由23°增大到27°時,空氣側(cè)壓降變化相較于27°到30°比較明顯,這主要是由于27°開窗角更接近百葉窗導(dǎo)向流與管導(dǎo)向流的臨界平衡值,壓降變化比較明顯.在開窗角度達到30°后,空氣的流動方式主要為管導(dǎo)向流,θ對Δp的影響有所下降.如圖13所示,在較低雷諾數(shù)時,隨著開窗角度的增加,Colburnj因子變化不是很明顯,在較高雷諾數(shù)時,隨著開窗角度的增加,Colburnj因子有明顯的上升,并且23°到27°的增幅明顯高于27°到30°范圍,這與開窗角度對換熱系數(shù)影響趨勢相同.由圖12與圖13分析開窗角對空氣側(cè)流動的影響,可以看出開窗角度的增加,阻力因子f呈現(xiàn)上升趨勢,即增加開窗角度不利于空氣側(cè)的流動換熱,隨后根據(jù)Colburnj因子和阻力因子f數(shù)值計算出JF因子,結(jié)果如圖14所示.

圖11 不同開窗角度下空氣側(cè)壓降及換熱系數(shù)變化情況

圖12 不同開窗角度下空氣溫度場分布圖

圖13 不同開窗角度下Colburn j因子與阻力因子f變化情況

圖14 不同開窗角度下JF因子變化情況

從圖14可以看出,隨著雷諾數(shù)的增加,綜合評價JF因子呈現(xiàn)下降趨勢;對于相同雷諾數(shù)情況,開窗角度θ為23°與27°時的綜合評價因子高于30°.然而對于較小開窗角下的JF因子評價,則要根據(jù)具體雷諾數(shù)進行討論,當(dāng)Re＜300時,JF因子隨著開窗角度的升高有所下降,說明增大開窗角度對不利于百葉窗翅片空氣側(cè)綜合性能的提高,即車輛日常車速較低,室外換熱器迎面風(fēng)速較低時,百葉窗翅片開窗建議選取較低開窗角度.當(dāng)Re＞300時,θ=27°較優(yōu),并且30°下JF因子降幅減緩,說明較高雷諾數(shù)時,增大開窗角度有利于提升空氣側(cè)流動換熱的綜合性能,較大的翅片開窗角更適合迎面風(fēng)速更大的情形.

4 結(jié) 論

(1)當(dāng)進風(fēng)風(fēng)速一定時,空氣側(cè)換熱系數(shù)與隨翅片間距的減小而相應(yīng)增加;翅片間距一定時,空氣側(cè)換熱系數(shù)隨進風(fēng)風(fēng)速的增大而增加.隨著進風(fēng)風(fēng)速的增大,翅片間距1.4 mm與翅片間距1.0 mm對應(yīng)的換熱系數(shù)之間的差值逐漸減小.

(2)在Re＜300時增大F p會導(dǎo)致JF因子小幅下降;當(dāng)Re＞300時JF因子隨F p的增大而升高,進風(fēng)風(fēng)速越高時,增大翅片間距對綜合性能更有利,因此百葉窗翅片間距取1.4 mm.

(3)當(dāng)Re＜300時,JF因子隨著開窗角度的升高有所下降,說明增大開窗角度對不利于百葉窗翅片空氣側(cè)綜合性能的提高;當(dāng)Re＞300時,θ=27°較優(yōu),并且30°下JF因子降幅減緩,說明較高雷諾數(shù)時,增大開窗角度有利于提升空氣側(cè)流動換熱的綜合性能,因此翅片開窗角度取27°更優(yōu).