淺談帶斜截半橢圓柱面空冷器的傳熱和流阻特性數值模擬

（哈爾濱空調股份有限公司，黑龍江 哈爾濱 150078）

淺談帶斜截半橢圓柱面空冷器的傳熱和流阻特性數值模擬

左俐莎

（哈爾濱空調股份有限公司，黑龍江 哈爾濱 150078）

在矩形通道內部，斜截半橢圓柱面為一種綜合特性強、流動損失低且其流阻特性與傳熱效果受柱面參數影響的渦流發生器，在沒有外功作用下，有助于增強空調空冷器側的傳熱特性，降低其流阻，對于實現空冷器等換熱設備的節能具有重要意義。本文在簡析了斜截半橢圓柱面渦流發生器及空冷器模型參數的基礎上，以三角形小翼渦流發生器為比較對象，重點對帶斜截橢圓柱面空冷器對流換熱的傳熱特性及其阻流特性進行數值模擬分析，以期為工程應用實踐提供有力參考。

斜截帶橢圓柱面；空冷器；阻流特性；傳熱

一、斜截半橢圓柱面與空冷器模型參數簡析

在本文的數值模擬分析中，空調用空冷器分別采用兩排叉排、順排圓管的圓管布置方式進行空冷器布置。在數值模擬分析中，渦流發生器與空冷器模型參數分別如下：三角形小翼與斜截半橢圓柱面為渦流發生器的兩種主要類型。若以W、l、h、α、β分別表示渦流發生器的寬度、長度、后緣高度以及斜截角、攻角，則斜截半橢圓柱面模型參數有l=4.78mm、w=h=2.39 mm、α=20°、β=45°；三角形小翼模型參數有l=4.78 mm、h=2.39 mm、β=45°。采用叉排與順排布置方式的空冷器具有幾何對稱性特征，在渦流發生器布置時，于圓管后緣的兩側處對其實施對稱性布置，在空氣流動過程中，后緣流動向高而前緣低，且在縱向與橫向兩個方向上與圓管圓心間距皆是圓管直徑的1/2倍。若n、p、ST、SL、d分別表示空冷器的管排數、翅片間距、橫向與縱向管間距、圓管外徑等，則空冷器模型參數有n=2，p=3.18mm、ST=25.38mm、SL=21.97mm、d=10.21mm。對于日常空調用空冷器而言，在層流流動工況之下，其空氣流速多≤6m·s-1，則相應的Reynolds數多在2200以內。

二、帶斜截半橢圓柱面空冷器傳熱特性與流阻特性分析

（一）數值模擬與結果分析

在數值模擬計算過程中，以北方地區的夏季所用的冷式冷凝器作為分析實例，模擬分析中假設制冷劑一直處在溫度恒定、濕蒸汽狀態之下，且設環境空氣溫度為303K，且不考慮翅片以及管壁自身具有的導熱熱阻。若用j、f、R、Pr、△P、At、Ac分別表示空冷器的傳熱因子、摩擦因子、平均對流傳熱系數、空氣Prandtl數、進出口壓力損失、流道總換熱面積與最小橫截面積，則有：

其中p與U分別表示空氣密度及其平均流速。在數值模擬計算中，選用SIMPLE算法對速度與壓力實施耦合，且運用二階迎風格式為能量與動量的方程離散格式，并采用如下方程通用式控制計算區的能量、動量與質量。

方程為：

其中，通用方程式因變量為φ，且φ=｛T、w、v、u｝，且廣義項與廣義擴散系數分別為гφ與Sφ。在計算過程中，渦流發生器壁面以及流體兩側邊界分別為絕緣邊界與對稱邊界在模擬計算中，空氣流動與換熱都能夠實現充分發展，且邊界條件有：w=v=0，T=T0、U=U0。

通過數值模擬計算發現，在沒有布置渦流發生器時，兩種圓管布置方式向比較而言，順排管空冷器的傳熱因子j值、摩擦因子f值均要低于叉排空冷器，其中j值約低14%～93%，f值約低30%-76%。在布置有渦流發生器時，叉排空冷器強化傳熱效果基本一致，而順排布置方式下，三角形小翼的傳熱效果要低于斜截半橢圓柱面，約高于1.2%。同時，順排與叉排布置方式下，相較于三角形小翼的空冷器流阻而言，斜截半橢圓柱面的流阻分別降低2%與4.5%左右。此外，若采用斜截半橢圓柱面布置，當空氣Prandtl數大于1000或1300時，三角形小翼與斜截半橢圓柱面均對叉排空冷器產生減小流阻的效果，其中斜截半橢圓柱面的減阻效果最為明顯，最低可減小6%左右。

（二）傳熱與流阻特性分析

根據以上分析，若在布置渦流發生器時，以順排布置方式為例，若空氣Reynolds數為2000時，在布置過程中，在上翅片與管壁兩者的結合位置會出現馬蹄渦現象，而在管后緣位置，斜截半橢圓柱面會出現端部渦現象。在柱面的阻擋之下，下翅片與管壁兩者的結合位置的蹄渦現象不明顯。所產生的蹄渦與端部渦渦旋的旋轉方向是相反的，且均具有縱向渦的特性。其中，馬蹄渦具有破壞翅片與管壁壁面的作用，從而使空氣邊界層得以減薄甚至遭到破壞，并在橫向與縱向兩個方向上，促進邊界層與流道主流區域空氣能量以及動量等的交換，最終使空冷器的傳熱特性得以強化。而在叉排布置方式下，渦流發生器同樣也會誘導馬蹄渦與端部渦進行相互作用，實現空冷器傳熱特性的強化。

對比三角形小翼與斜截半橢圓柱面兩種渦流發生器形式而言，三角形小翼的迎流截面要稍小于斜截半橢圓柱面，其產生的流動阻力要大于采用流線型設計的斜截半橢圓柱面，可見在布置半橢圓柱面的空冷器內可獲得更為均勻的內流場，斜截半橢圓柱面的背風與迎流面的管后滯止區消除效果也占有突出優勢。

綜上分析可見，在不同圓管布置方式下，渦流發生器對順排布置方式下空冷器傳熱強化效果要低于叉排布置方式；且其流動減阻效果也要低于叉排布置方式下渦流發生器對空冷器的減阻效果。此外，采用叉排布置方式，進行空冷器管布置之后，產生的管后滯止區域流動損失相對較小。由此可見，在工程實際應用中，斜截半橢圓柱面是一種具有較低流動損失，具有強化傳熱以及流動減阻等綜合性能的渦流發生器，在其布置過程中時，采用叉排空冷器管進行布置，可獲得較高的綜合特性。

[1]高猛，周國兵.矩形通道中斜截半橢圓柱面傳熱和流阻數值模擬[J].中國電機工程學報，2011（17）：72-78.

[2]周國兵，楊來順，馮知正，何靜.柱面梯形翼強化直接空冷凝汽器換熱及其流阻性能的數值模擬[J].中國電機工程學報，2012（23）：55-63.

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