倒T型管翅式散熱器換熱特性的研究

陳金友，漆波

（1.湖南財經工業職業技術學院，湖南 衡陽 421002；2.南華大學，湖南 衡陽 421001)

管翅式散熱器是熱水型熱交換設備之一，普遍應用于采暖行業中，管翅式散熱器工作過程較為簡單，高溫熱水進入翅片管，高溫熱水與翅片管內壁通過對流換熱的方式進行熱交換，以熱傳導的方式將能量從翅片管內表面傳到外表面，最后通過對流換熱的方式將熱量從翅片管外壁傳到周圍環境空氣。散熱器性能的優劣對工作效率、能效等級和生產成本等有直接影響作用。散熱器由于缺乏理論研究，使散熱器在設計、生產過程中缺失理論指導，使生產的散熱器換熱性能不良。市場作用下為了滿足客戶對散熱器散熱量的要求，企業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也增加了其安裝尺寸及生產材料成本。因此對管翅式散熱器做理論研究、規律探索、關鍵影響因素分析是資源節約的要求。

1 數學物理模型的建立

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，其位置結構參數如表1所示。對倒T型散熱器進行模擬仿真研究，關鍵在于計算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 管翅式散熱器結構參數

1.2 數學模型

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外壁之間、管道與翅片之間的導熱、翅片管與周圍空氣間的對流換熱，這一類換熱屬于典型的流固耦合換熱，進行流動數值計算時同時滿足三大守恒定律，質量守恒定律、動量守恒定律和能量守恒定律具體的控制方程表達式如下。

（1）質量守恒方程

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

（2）動量守恒方程

（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，單位；ST為粘性耗散項，即在粘性作用下流體機械能轉化為熱能的部分。

采用壓力進口、壓力出口邊界條件，總溫設置為291K，入口邊界上的湍流動能k為1，湍流耗散率e為1，進口空氣物性參數為：定壓比熱容,導熱率：，動力粘度：。假定壁面溫度從上到下依次為348K、346 K、344 K、342 K。

本文中對速度、溫度變化相對較小的翅管和翅片區域采用六面體的結構化網格，這樣在不影響結果的前提下，減小計算量；速度、溫度變化相對較大的其他區域，該區域采用三維非結構化網格，網格相對更小些，緊密些，此過程更多的關注計算結果的準確度。

經過網格無關性檢測，倒T型管翅式散熱器模型網格數量為150萬個左右，整體網格劃分情況如圖2所示，翅片管網格劃分情況如圖3所示。

圖2 翅片管倒T型布置整體網格劃分

圖3 翅片管倒T型布置翅片管網格劃分

2 數值模擬結果與分析

2.1 數值計算結果

對倒T型管翅式散熱器進行Fluent仿真計算，計算結果（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型管翅式散熱器計算結果

2.2 結果分析

從表2結果分析得出：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別不大，考慮生產材料等成本，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結果可以看出：倒T型管翅式散熱器結構上屬于對稱性散熱器，但是結果顯示下面水平方向對稱的兩根翅片管溫度卻不一樣，右側翅片管的溫度低于左側翅片管的溫度。

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繞過，并且速度相對較大，其結果的出現主要是受到翅片管阻力的影響。基于以上分析可以得到：結構對稱的倒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稱，不同翅片管間的溫度不完全一樣，流體流經翅片管受到的阻力也不完全相同。

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

3 結語

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，同時翅片管兩側存在回流的現象，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，這樣對散熱器性能影響較小，同時可以大幅度減小散熱器尺寸，有效降低散熱器生產成本。