百葉窗角度對管帶式中冷器傳熱與阻力特性影響研究*

鄭明強，趙津，馬秀勤，張秉坤，甯油江

(貴州大學機械工程學院，貴州貴陽550025)

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百葉窗角度對管帶式中冷器傳熱與阻力特性影響研究*

鄭明強，趙津，馬秀勤，張秉坤，甯油江

(貴州大學機械工程學院，貴州貴陽550025)

摘要：根據影響中冷器綜合性能的因素，建立了四組不同開窗角度的百葉窗翅片計算模型，采用Fluent軟件，SIMPLE算法和標準k-ε模型對傳熱特性和阻力特性進行了仿真分析，得到不同開窗角度下中冷器空氣側的溫度、壓力和換熱系數，及中冷器綜合性能評價因子。研究發現換熱主要集中在百葉窗前端，阻力損失主要集中在翅片區域；壓降隨著開窗角度的增大而增大；在相同的工況條件下，開窗角度為27°時，翅片表面傳熱系數最大，具有更好的綜合性能。計算結果為中冷器散熱帶結構設計提供了參考。

關鍵詞：中冷器百葉窗翅片壓降傳熱系數結構設計

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0引言

百葉窗管帶式換熱器廣泛應用于車輛的冷卻系統中，如散熱器、中冷器[1-2]。對于空氣作為冷卻介質的中冷器，熱阻主要集中在空氣側，因此提高其換熱效率的有效方法是減小空氣側的熱阻。散熱帶翅片上的百葉窗可以有效地切斷空氣側邊界層，阻止其進一步發展，減小邊界層厚度，從而提高傳熱效率[3]。

不同開窗角度對中冷器性能有較大的影響。Hsieh[4]等人設計開窗角度依次遞增2°、4°和依次遞減2°、4°的百葉窗翅片，與固定開角20°的百葉窗翅片進行仿真對比研究，結果表明，開窗角度遞增或遞減的模型都能強化換熱效果，但進出口壓差均比固定開窗角度的百葉窗翅片更高。Aoki. H[5]完成了在不同百葉窗角度下的傳熱性能實驗，指出百葉窗角度增加引起傳熱系數增加，在角度為28°~30°時到達最大值。國內學者周宇[6]等人，比較了4種不同傾角的百葉窗翅片的傳熱性能和阻力性能，發現壓降隨開角的增大而增大。

目前百葉窗翅片不同參數對換熱器性能的影響研究主要用于散熱器的性能分析上，對于散熱管尺寸比較大的中冷器來說，這方面的研究較少。因此本文利用流體分析軟件Fluent軟件，對某型管帶式汽車中冷器百葉窗翅片的傳熱和阻力特性進行數值模擬計算，分析比較了4種不同百葉窗傾角(23°、25°、27°、29°)對傳熱和阻力的影響。

1計算條件

1.1研究假設

因研究內容不考慮流動過程中流體的物理屬性隨溫度及流動狀態變化而改變，故作出如下假設：

1)翅片材料采用厚度為0.2 mm的鋁片，鋁片厚度的導熱溫差可忽略；

2)流體為不可壓縮流體；

3)流體流動為定常流，流體物理屬性不發生改變；

4)忽略翅片和扁管外壁面接觸熱阻，認為扁管外壁面溫度和翅片根部相同。

1.2幾何模型及網格劃分

研究對象為如圖1所示的某型汽車中冷器的百葉窗翅片，由于翅片的結構復雜，受計算機的限制，不可能對整體翅片進行仿真。同時由于翅片的結構呈現對稱性和周期性變化，只需研究如圖2所示的一個翅片單元內的對流換熱，這不僅可以較好的反映計算域參數特點，又可以節省計算時間。幾何模型尺寸參數如表1所示。

圖2　百葉窗模型

表1　幾何模型尺寸參數

通過軟件ICEM劃分網格，采用非結構化的四面體單元分別對流體域和固體域進行網格劃分，固體域網格數和流體域網格數如表2所示。

表2　網格數目

1.3材料屬性及參數

扁管外管壁及翅片采用軟件材料庫里的鋁制材料，冷流體的材料采用空氣。這兩種材料的基本物理屬性參數：密度、粘度、導熱系數和比熱，如表3所示。

表3　物理屬性參數

1.4控制方程及邊界條件

對于三維不可壓縮流動的數值分析，采用如下3個控制方程[7]：

連續性方程：

動量方程：

能量方程：

選用標準湍流k-ε模型，采用SIMPLE算法，對流項采用二階迎風格式，計算模型為穩態湍流不可壓縮流動。邊界條件[8]為扁管壁面溫度恒定，進口為給定的氣流速度和溫度。同時，為了保證入口和出口的充分發展，在入口處和出口處分別增加兩倍翅片間距的導流體[9]。出口為壓力出口，靜壓值為0，模型上下面為周期邊界條件，右端表面為對稱邊界，流體和固體接觸的區域為耦合面，剩余面為絕熱壁面條件，如圖3所示。

圖3　邊界條件模型

根據不同開窗角度，分別建立θ=23°，θ=25°，θ=27°，θ=29°四種不同開窗角度的百葉窗翅片計算模型，進口為空氣，數值模擬選取5個迎風速度工況，分別為2 m/s，4 m/s，6 m/s，8 m/s，10 m/s，空氣進口溫度為300 K及相應的湍流條件，扁管長度為664 mm，而一個周期的翅片所對應的扁管長度不到3 mm，因此扁管的壁面溫度可以看成是一個恒定值，本文取平均值為363 K，出口為壓力出口，相對壓力設為零。

2仿真結果分析

2.1流道內的速度場

以風速工況為10 m/s查看仿真結果，四種開窗角度(23°、25°、27°、29°)對稱面速度場云圖如圖4所示。從圖中可以看出，大多數流體都沿著百葉窗流動，流經百葉窗翅片時，百葉窗下端的流速較高，當流動方向發生改變后，百葉窗上端的空氣流速較高。流經百葉窗的最高速度分別為22.8 m/s、22.4 m/s、21.6 m/s、22.7 m/s，這表明開角對空氣流速分布的影響較小。

圖4　四種開角對稱面上的速度云圖

2.2流道內的溫度場

四種開窗角度的對稱面溫度場云圖(風速10 m/s)如圖5所示，依次為23°、25°、27°和29°時的云圖，圖中可以看出，未開窗的部分邊界層不斷的增長，隨著空氣流經百葉窗，百葉窗對空氣氣流造成了擾動，阻止了邊界層的發展，這大大改善了對流換熱條件。翅片前半部分的翅片之間和空氣溫度梯度較后半部分大，隨著空氣向深度方向流動，空氣逐漸被從扁管管壁傳來的熱量經翅片加熱，到出口時溫度接近于壁面溫度。這說明換熱主要集中在中冷器的前半部分。

圖5　四種開角對稱面上的溫度云圖

2.3流道內的壓力場

由于四種開窗角度的對稱面壓力場(風速10 m/s)分布趨勢大致相同，以23°對稱面壓力云圖進行分析，如圖6所示，圖中可以看出，空氣的壓力逐漸減小，當空氣流入翅片區域，由于百葉窗對氣流的擾動作用，流動方向發生變化，從而使脈動阻力增大。壓力損失主要集中在空氣流入百葉窗的入口處。

圖6　開窗角度為23°對稱面上的壓力云圖

2.4傳熱特性及阻力特性分析

隨著開角的增加，進出口壓降也相應的增大，這說明空氣在翅片之間及百葉窗之間的氣流量與開窗角度有關。通過對比如圖7-11所示的5種不同工況下的傳熱系數可知，開窗角度為23°時，翅片的表面換熱系數最小，當開角增大到27°時，翅片的表面換熱系數最大，翅片表面換熱系數較23°時增大3%~4.5%，但隨著開角進一步增大，換熱系數減小，因此，當開角為27°時換熱效果最好。開角為23°時，進出口壓降最小，隨著開角的增大，壓降也進一步增加，相同工況下，開角為25°~29°時，進出口壓降比23°時增大1.2%~23%。

圖8　4 m/s翅片換熱系數及進出口壓降圖

圖10　8 m/s翅片換熱系數及進出口壓降圖

圖11　10m/s翅片換熱系數及進出口壓降圖

可見，增大開角可以提高換熱系數，但與此同時，也不可避免的增大了進出口壓降。因此，引用綜合換熱系數對不同開角的百葉窗翅片進行評價。如圖12顯示了4種開角的綜合性能評價因子隨空氣入口速度的變化，從圖中可以看出，隨著風速和角度的增加，綜合因子均相應的降低，這是因為隨著開窗角度的增大，換熱系數增大的幅度沒有進出口壓降增大的幅度大。但隨著開角的增大，換熱效果更好。

圖12　不同流速下的綜合評價因子

3結論

在相同邊界條件下，運用流體分析軟件Fluent對4種不同開角的百葉窗翅片速度場、溫度場和壓力場進行了模擬分析計算，結論如下：

1)空氣流經百葉窗時，百葉窗下端速度較高，當流動方向改變后，上端速度較高，同時對比最高流速，表明百葉窗開角的大小對速度分布影響較小。

2)換熱主要集中在中冷器的前半部分，在相同入口速度情況下，對比翅片表面的傳熱系數和進出口壓降的大小，當開窗角度為27°時，翅片表面的換熱系數最高，較23°時換熱系數增大3%~4.5%，開角為27°傳熱性能最好；壓降隨著開角的增大而增大，增大幅度為1.2%~23%。

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Study on the influence of shutter angle on the characteristics of heat transfer and drag of tube-type intercooler

ZHENG Mingqiang, ZHAO Jin, MA Xiuqin, ZHANG Bingkun, NING Youjiang

Abstract:According to the factors affecting intercooler's comprehensive performance, four calculation models for louver fin at different louver angles are established. Using FLUENT software, SIMPLE algorithm and the standard k-ε model, simulation analysis is carried out to examine the characteristics of heat transfer and resistance, through which the temperature, pressure and heat transfer coefficient of the intercooler's airside at different louver angles are obtained, and the evaluation factors of its comprehensive performance are worked out. The study shows that the heat transfer mainly concentrates on the front end of the louver window, the resistance loss mainly occurs in the fin, and that the pressure drop increases with the increase of the louver angle. It is also found that, under the same conditions, when the louver angle is 27 degree, the heat transfer coefficient on the fin surface is the largest, which shows better comprehensive properties. The results would provide reference for future structure design for the cooling fin of intercooler.

Keywords:intercooler; louver fin; pressure drop；heat transfer coefficient；structure design

通訊作者：趙津(1973-)，男，教授，碩士生導師，主要研究方向：智能汽車及智能交通系統、汽車及其零部件設計方法。

基金項目：貴州省重大科技專項項目，黔科合中大專項字(2014)6004；企業橫向課題，模塊化車用散熱器產品設計與生產線布置與規劃,20141001。

收稿日期：2015-07-24 2015-06-11

作者簡介：李凱峰(1989-)，男，碩士研究生，就讀于西南交通大學機械工程學院，研究方向：機電液一體化。 鄭明強(1990-)，男，漢族，貴州盤縣人，碩士研究生，主要從事汽車及其零部件設計方法研究。

中圖分類號：TH16;TK172

文獻標識碼：A

文章編號：1002-6886(2016)01-0031-05