中大型空氣源熱泵空氣流場特性研究

龔建英 袁秀玲 呂寶成

(1 長安大學汽車學院 710064 西安；2 西安交通大學能源與動力工程學院 710049 西安；3 西安長慶華能實業有限公司 710021 西安)

V型翅片管式換熱器廣泛應用于中大型風冷熱泵冷熱水機組，其結構比較簡單，但仍然存在以下問題：風側換熱器體積大、支路數多；換熱器與風機的布置方式必然造成迎面風速分布不均，而流場分布的優劣直接影響換熱性能、氣動性能以及機組的安全穩定運行。

目前，對翅片管式換熱器的傳熱性能和阻力特性的研究主要是針對均勻迎面風速進行的[1-4]，而實際的迎面風速是不均勻的，風速不均勻造成了溫度場的不均勻，從而導致了換熱效率的降低。近年來，一些學者開展了針對家用空調用風機的研究[5-7]，但是對于風冷熱泵冷熱水機組的風側換熱器空氣場的研究幾乎沒有。與昂貴的流場測試相比，計算流體力學方法具有方便靈活等特點，僅僅需要改變初始條件、邊界條件以及幾何邊界條件，就可以獲得整個流場任意點處的詳細信息，從而大大節約了研制周期和費用。

這里采用CFX商用數值模擬軟件對風冷熱泵冷熱水機組風側V型多排波紋翅片管換熱器的空氣場進行三維數值模擬，實驗驗證了數值模擬的可靠性。獲得了流場特性，分析了V型換熱器結構參數變化對流場特性的影響，為優化系統性能和改進設計提供了依據。

1 V型換熱器物理模型

CFD分析模型中的系統結構如圖1所示，主要由軸流風機、V型波紋翅片管換熱器組成。由圖1可知風機沿V型換熱器長度方向對稱布置，為了便于計算，取二分之一長度方向的模型進行計算。

圖1 模型系統結構圖Fig.1 The schematic diagram of the simulated heat exchanger

被模擬的系統為1臺名義制冷量為50kW的風冷熱泵冷熱水機組風側換熱器，如圖1所示，風側換熱器有兩塊，呈V字型布置，風機位于V字型的頂部。每塊換熱器4排共12個回路，每排32根管，迎風面積0.8×1.3=1.04m2，銅管規格為φ9.52×0.3mm光管，波紋翅片，片厚0.12mm，翅片間距0.2mm，翅片表面未鍍親水或者憎水?？諝馔ㄟ^位于V型換熱器頂部的風扇吸入，流過V型換熱器。

2 數學模擬

2.1 控制方程組

直角坐標系下，三維粘性可壓雷諾時均方程組可表示如下：

質量守恒方程：

動量守恒方程：

能量守恒方程：

式中：ρ —流體密度；SM—動量方程的源項；SE—能量方程的源項；τ —剪切應力張量；—雷諾應力；—雷諾通量。

瞬時速度U滿足：

式中： —時均速度；u —脈動速度。

平均總焓為：

式中：k —— 湍動能。

采用理想氣體狀態方程封閉方程組：

式中：w —氣體分子量；R0—通用氣體常數。

2.2 多孔介質模型

目前的計算能力還無法完全求解全部翅片內的流場，故換熱器區域被簡化為多孔介質。采用了CFX[8]中的通用損失模型進行計算，該模型可以模擬通過各項異性多孔介質區域的流動。動量方程的源項可以被用來模擬多孔介質中的損失。

2.3 湍流模型和壁面處理方法

1)k-ε湍流模型

計算采用標準k-ε湍流模型考慮湍流的影響。k-ε湍流模型是用來確定湍流粘性的渦粘性模型。

2)壁面處理法

對高雷諾數湍流模型，壁面均采用改進壁面函數法處理，它允許在壁面附近使用較密的網格來進行模擬而不用再考慮雷諾數的變化。改進壁面函數法的基本思想就是使用一個較小的值來限制所有的網格點都落在粘性底層之外，從而避免了加密網格而得不到更精確值的矛盾。

2.4 邊界條件

邊界條件的設置模擬實驗條件，計算進口給定靜壓，靜溫和速度方向，出口給定平均速度。換熱器側面、上、下端壁做固壁處理，其它位置做對稱面處理。基于有限容積法采用CFD軟件CFX對N-S方程離散求解。

3 結果分析

3.1 模型驗證

圖2所示為換熱器長度方向不同位置實驗值與數值模擬結果的比較。三個位置距離換熱器邊緣距離分別為20cm、40cm、60cm。從圖中可以看出實驗值與計算結果分布趨勢一致，證明模型的可靠性。

3.2 結果分析

為了便于描述，這里用符號V和夾角值表示不同夾角V型換熱器，如V60代表夾角大小為60度的V型翅片管換熱器。

圖3比較了來流平均速度為2m/s時，V型換熱器不同夾角時，V型換熱器迎面風速沿換熱器高度方向的分布。

圖2 不同位置迎面風度沿換熱器高度方向變化的實驗結果與計算值比較圖Fig.2 Face velocity comparison between simulation and experiment for different locations

由圖3可看出，當V型換熱器夾角大小不變、來流平均速度變化時，V型換熱器迎面風速分布規律基本一致，并且不存在明顯的其它流動現象主要因為V型風冷換熱器風機位于換熱器頂部，迎面風速沿換熱器高度方向形成的風路長短不同，而沿V型換熱器長度方向形成的風路長短相同造成的。

由圖3還可看出，換熱器夾角不同時，迎面風速分布沿換熱器高度方向存在較大差異，隨夾角增大，速度峰值沿換熱器高度方向下移。對于V30的V型換熱器，迎面風速沿換熱器高度方向逐漸增大，速度最大值在換熱器上部，最小值位于換熱器下部，最大值與較小值相差約4倍；對于V60的V型換熱器，換熱器迎面速度分布與V30時的變化趨勢一致，但是速度增大幅度偏小，較大值與較小值相差約2倍；當V型換熱器為V90時，換熱器迎面風速分布沿換熱器高度方向基本對稱，即迎面風速最大值出現在換熱器中部，此分布趨勢與文獻[9]中V90的實驗結果一致，再次證明此模型的合理性和可靠性；V120時，迎面風速沿換熱器高度方向逐漸減小，最大值出現在V型換熱器下部，最小值出現在上部。產生上述迎面風速分布差異的主要原因是V型換熱器器不同夾角時，在相同高度處，空氣經過換熱器形成風路長短不同，致使空氣壓力分布不同。由不同夾角時，空氣流經V型換熱器時的壓力分布圖4就可以發現這樣的影響結果：由圖4所示，空氣流經四排V型翅片管換熱器后，空氣在V型換熱器進出口壓降最大值隨換熱器夾角值的增大沿換熱器高度方向逐漸下移，而空氣壓力降與空氣流速直接相關，這樣就必然導致換熱器迎面風速峰值隨夾角增大沿換熱器高度方向逐漸下移。同時由圖還可看出，夾角大小為90度時，風速分布較均勻。

圖3 不同夾角迎面風速分布比較Fig.3 Face velocity distribution with different intersect angle

圖4 不同夾角時空氣壓力分布圖Fig.4 Air pressure distribution with different intersect angle

當V型換熱器夾角大小改變時，空氣流經V型換熱器時的壓力分布圖如圖4(a)～(d)所示。圖4中(a)～(d)圖表示V型換熱器夾角大小分別是30°、60°、90°和120°時，空氣相對壓力分布圖，圖中的壓力代表空氣相對壓力值。

4 結論

采用CFD方法對V型翅片管換熱器風速場特性進行了數值研究，計算結果與實驗測試值相吻合。

1) 迎面風速沿V型換熱器高度方向分布不均勻，沿長度方向分布比較均勻。V型換熱器夾角改變，換熱器迎面風速沿換熱器高度方向分布規律基本相同。

2)V型換熱器夾角增大時，迎面風速峰值由V型換熱器上部逐漸下移。夾角小于90度時，速度最大值出現在換熱器上部；夾角大于90度時，速度最大值出現在換熱器下部；等于90度時，速度最大值位于換熱器中部。

3)V型換熱器夾角為90度時，V型換熱器迎面風速分布較均勻。

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