翼型翅片對管片散熱器散熱性能的影響

程 亮， 劉佳鑫,2， 王寶中*， 錢學成， 王鑫閣

(1.華北理工大學機械工程學院，唐山 063210；2.華中科技大學能源與動力工程學院，武漢 430074)

隨著社會的不斷發展進步，對工程車輛的施工條件要求更加苛刻，需要適應各種惡劣環境(如采石場、森林、沙漠等)的同時還能提供足夠的散熱能力，以保證發動機能平穩工作。因此，工程車輛散熱器散熱性能的改善顯得尤為重要。

散熱器散熱性能的改善研究主要集中在對翅片、熱管和渦發生器等的研究，其中翅片的研究主要是為了增加翅片換熱面積和改善空氣流動狀態從而增加散熱能力；而熱管的改善主要是為了降低空氣的阻力，以使得沿流道的壓力損失最小；渦發生器的加入主要是為了對空氣進行擾流，以達到空氣與換熱表面的充分換熱。針對不同的改善機理，不少研究者對散熱器的散熱性能改善在多方面進行了研究分析[1]。

黃曉明等[2]采用數值計算方法對一種應用于半導體制冷片熱端散熱的翅片式熱管散熱器進行模擬，研究自然對流條件下不同翅片參數對散熱器換熱性能的影響，并結合多目標遺傳算法得出優化后的方案使基板熱端溫度下降3.5 K，散熱器熱阻降低18.22%。Lei等[3]采用計算流體動力學(computational fluid dynamics, CFD)數值仿真方法，研究渦發生器對新型換熱器傳熱和壓降的影響，發現增強后的結構產生了縱向渦旋，加速了流動，在適當的壓降損失下，傳熱顯著增強。寇志海等[4]對以微槽道作為吸液芯的平板式熱管散熱器的傳熱特性進行研究，結果表明該平板熱管散熱器的散熱能力強，并具有良好的均溫特性，在散熱冷卻領域具有良好的應用潛力。Lin等[5]采用共軛傳熱數值方法研究間斷半環形槽翅片結構對管翅式換熱器平均傳熱和流體流動特性的影響，結果表明間斷環形槽具有流體導向和分離渦流抑制的雙重作用，減小了尾部區域的尺寸，且在較高的雷諾數時有優異的換熱性能，Zhang等[6]利用Fluent對翅片管式中冷器的流動和傳熱特性進行了數值研究，仿真結果表明，基于多孔介質傳熱模型的數值計算結果與發動機臺架試驗結果吻合較好，壓降和換熱能力隨空氣流量的增大而增大；同時，冷卻劑分布均勻，最大誤差在10%以內，這對翅片管式中冷器的改進研究具有重要意義。Habibian等[7]利用數值模擬對三種翅片結構和納米流體對散熱器散熱性能的影響進行研究，結果表明百葉翅片換熱率最高，與純水相比，添加氧化銅和氧化鋁納米顆粒提高了傳熱速度，彌補了防凍劑的有害影響，提高了傳熱速度。Khoo等[8]研究了一種新型斜管結構，這種設計使管后的空氣再循環去更小，從而增加有效的傳熱面積。Salviano等[9]基于單純形法結合流固共軛傳熱仿真研究了直列和交錯排列的渦發生器對翅片管緊湊換熱器的換熱性能的影響，目的是找到一個渦發生器相關參數的最優組合。

為了獲得更高的傳熱，通常會產生較大的空氣側壓降，從而消耗更多的能量。由于翼型結構的氣體流動性能和傳熱性能較好，近年來一些學者對其在散熱器等領域的傳熱性能方面進行了研究。馮少聰等[10]為提高某工程車輛散熱器綜合性能,對其進行性能分析和結構優化。以降低壓力損失為前提,選用NACA23021翼型建立散熱器熱管模型。結果表明在仿真區間內，NACA23021翼型管翅片的綜合評價因子較扁平管翅片平均高出約23%，較NACA0018翼型管翅片平均高出約9.7%。Suabsakul等[11]選用改進后的NACA0024型翼型插入體，改善了管內的傳熱性能，結果表明雷諾數為4 196時，換熱比、摩擦比和換熱強化性能均達到最大值；傾斜角度為45° 的改性NACA0024在平板管上的換熱增強效果最好，約為普通管的3倍，最大換熱增強性能為1.45%。

綜上所述，改善空氣在氣體流道中的流動形式，以達到空氣與換熱面的充分換熱是改善散熱器散熱性能的主要方法。為獲得最佳的散熱性能，首先，采用翼型和翅片結構相結合的方式(簡稱翼型翅片)使空氣由平流轉化為湍流增強換熱，該方式在對空氣達到擾流并增強換熱之后，由于翼型結構的流動性好，對空氣沿程的壓力損失影響特別微弱。然后研究了翼型翅片的布置方案、布置位置和翼型類型對換熱系數和壓力損失的影響；最后通過田口方法設計正交試驗，尋找最優的配置方案，為尋找一種相對改善最明顯的翼型翅片配置方案提供經驗認知。

1 數值分析

1.1 物理模型

管片散熱器結構如圖1所示。具體單元體模型及結構參數參考文獻[12]。空氣為工作流體，翅片材料為鋁，將計算區域向氣體入口和出口方向分別延長水力直徑的1.5倍和5倍[13]，利用均勻入口邊界條件和壓力出口條件。

虛線所圍的區域為所要計算的單元體模塊區域；x、y、z分別為展向坐標、流向坐標和法向坐標

1.2 控制方程和邊界條件

流體流動假定為湍流、不可壓縮和沒有損耗的，并通過求解三維連續性、動量和能量方程進行數值模擬。假設固體為各向同性，管壁假設為恒溫。部分邊界條件如圖2所示。其他邊界條件設置參考文獻[14-15]， 連續性方程、能量方程和動量方程如下。

連續性方程：

(1)

能量方程：

(2)

動量方程：

(3)

式中：下標i、j、k分別為變量在x、y、z方向的分量；ρ為密度；u為速度矢量；E為總能量；p為壓強；keff為有效熱導率；T為流體溫度；μ為流體黏度。

雷諾茲應力采用Boussinesq假設計算，計算公式如式(4)所示：

(4)

圖2 邊界條件設定

1.3 仿真結果與試驗驗證

對整個計算區域采用結構性和非結構性網格混合的形式劃分網格。為提高仿真計算的準確度，對靠近壁面的單元進行改良，對相應的邊界層網格進行加密，部分網格如圖3所示。對網格獨立性進行檢測，確定模型的整體網格單元數量為6.0×106左右。使用Fluent 15.0，采用3D、Pressure Based求解器，引用隱式方程求解，進行穩態計算。

圖3 局部網格加密

利用劉佳鑫[16]的實驗結果驗證該仿真結果的有效性。圖4所示為管片散熱器試驗原始數據和通過數值模擬得到的換熱系數和壓力損失的對比曲線圖。結果表明，換熱系數h的平均偏差為2.32%，壓力損失ΔP的平均偏差為2.51%，仿真結果與試驗原始數據吻合較好。

圖4 仿真和試驗數據驗證

2 翼型翅片性能研究

工程車用散熱器一般工作在環境比較惡劣的條件下，在改善散熱的問題上一方面需要考慮增大換熱量的同時盡可能減小壓力損失的增加；另一方面則需要考慮沙塵、樹葉等因素對散熱器進風口及流道內空氣的堵塞問題。然而翼型翅片相比波紋翅片、鋸齒翅片和渦發生器的改善方法解決了這類問題。翼型翅片結構在增加換熱性能的同時，由于翼型的流動性能較好，對空氣的阻力影響不大；同時與扁平翅片類似，不容易沉積雜物，有效地降低了散熱器的管理成本和增加了散熱器的使用壽命。

翼型翅片散熱器單元體結構如圖5所示，分別在五排熱管的中間位置沖壓出翼型凸起，主要為了對管片散熱器在空氣流通的方向進行擾流，以達到增強換熱的目的。具體翼型的控制方程參考文獻[17]，結構參數如表1所示。

圖5 翼型翅片模型

表1 翼型翅片的部分結構參數

采用相同的仿真模擬條件對翼型翅片單元體模型進行數值仿真，并與原始扁平翅片進行對比分析。如圖6所示為入口流速6 m/s時扁平翅片與翼型翅片的單元體溫度云圖。由圖6可知，在氣體橫向流經第二排熱管的時候，在翼型翅片附近氣體溫度明顯有升高的趨勢；在氣體縱向流經方向上能更加明顯看出氣體在翅片附近的高溫區域明顯變寬，說明空氣與翅片的熱交換更加充分。這可能是因為翼型翅片使得空氣在流動方向上由平流向湍流轉化，空氣與翅片之間更充分的接觸，換熱更明顯。在圖中還觀察到翼型翅片出口處溫度為75.36 ℃，比扁平翅片高出3.62%。

圖6 改善前后單元體溫度云圖

圖7所示為空氣流速6 m/s時的扁平翅片和翼型翅片的單元體速度云圖。由圖7可知，兩者的速度云圖分布規律大致相同，但在空氣橫向方向上明顯看出翼型翅片結構在翼型重心附近處的速度顯著升高，這可能是因為空氣在此處與翅片充分換熱，使得空氣溫度升高，從而空氣受熱膨脹引起速度升高。在空氣橫向方向上與原始扁平翅片相比能明顯看出翼型頭部處速度降低，在翼型重心附近速度顯著升高，翼型尾部速度無明顯變化。這可能是因為相比扁平翅片，翼型翅片在頭部位置處對空氣的阻力影響較為明顯，但由于翼型結構的空氣流動性較好，使得空氣在流經翼型翅片時與翅片充分換熱，速度升高，從而達到在翼型翅片尾部附近與原始扁平翅片相同的速度分布趨勢。

圖7 改善前后單元體速度云圖

通過分析翼型翅片與扁平翅片的單元體溫度與速度云圖，可以發現翼型翅片結構在翅片附近明顯增大了與空氣之間的換熱，但是對空氣的流動性的影響僅僅在翼型的頭部的小范圍內，幾乎可以忽略不計。所以采用的綜合評價因子對散熱器換熱性能的評價的方法[10-11,13]對原始扁平翅片結構與翼型翅片結構進行對比，結果如圖8所示。由圖8可知，進氣速度為2 m/s時綜合評價因子相差最明顯，翼型翅片比扁平翅片高出14.57%，隨著速度增加，相差越來越小；進氣速度為12 m/s時翼型翅片比扁平翅片高出5.73%。這可能是因為當速度較低時空氣經過翼型頭部附近對空氣的沖擊阻力較小，且空氣與翅片間的換熱也較為明顯；當速度逐漸升高時，空氣流經翼型翅片時產生的空氣阻力明顯增加，使得空氣逐漸偏離翼型翅片表面，換熱效果不明顯。

圖8 改進前后綜合評價因子對比

3 不同因素的影響研究

通過研究翼型翅片的結構組成與沖壓位置，分別考慮三種翼型類型、翼型方案布置和翼型位置對翼型翅片的換熱系數與壓力損失的影響，從而設計三因素三水平的正交實驗以尋找相對最優的翼型翅片的配置方案。其中三種因素變化的結構簡圖如圖9所示。

圖9 三種影響因素變化

3.1 三種因素變化對換熱系數的影響

圖10所示為三種因素變化的情況下對換熱系數的影響。總體看來翼型種類和翼型方案對換熱系數的影響較大，翼型的位置對換熱系數的影響較小。其中翼型方案2相對其他兩種方案的換熱系數更大，速度為6 m/s時方案2的換熱系數比方案3高出約1.1%，這可能是因為方案2對氣體的導流作用更加明顯；翼型類型NACA0025對換熱系數的影響最為明顯，速度為6 m/s時相比NACA0015翼型高出約1.4%，這可能是由于NACA0025翼型的換熱面積較大，換熱效果更明顯；翼型的位置變換對換熱系數幾乎沒有影響。

圖10 三種因素對換熱系數的影響

3.2 三種因素變化對壓力損失的影響

圖11所示為三種因素變化的情況下對壓力損失的影響。總體看來翼型種類和翼型方案對壓力損失的影響較大，翼型的位置對壓力損失的影響較小。其中翼型方案2相對其他兩種方案的壓力損失更大，在速度6 m/s時方案2的壓力損失比方案1高出約4.8%，這可能是因為方案2對氣體的流動阻力較大；翼型類型NACA0025對換熱系數的影響最為明顯，在速度6 m/s時相比NACA0015翼型高約3.6%，這可能是由于NACA0025翼型的面積較大，空氣阻力較為明顯；翼型的位置變換對換熱系數的影響幾乎沒有。

圖11 三種因素對壓力損失的影響

3.3 三種因素不同組合對綜合評價因子的影響

表2所示為通過田口法設計的L9(33)正交實驗表。首先通過正交實驗表建立相應的物理模型，然后采用與原始翼型翅片相同的仿真條件對其進行數值模擬，最后以進氣口速度為6 m/s時的綜合評價因子大小作為方案優劣的判定標準。通過標準正交實驗的分析方法，分別求出每種因素的每個水平對應的綜合評價因子的平均值(如I/3為第一種因素條件下第一種水平的綜合評價因子平均值)，通過因素不變每種水平的綜合評價因子的平均值大小分析每種因素下最優的水平條件。最后得出最優方案為翼型翅片采用方案2、翼型翅片類型為NACA0015和翼型翅片位置為左移2 mm。最后將最優方案進行數值仿真分析并與其他9組進行對比，如圖12所示，其中最優組合的改善最為明顯，相比原始翼型翅片模型在速度6 m/s時綜合評價因子高出約2.1%，相比正交實驗組合中最小的高出約4.2%。最后通過求得每種因素下3個水平的綜合評價因子極差(R)得出3種因素對綜合評價因子的影響從大到小依次為翼型翅片類型、翼型翅片方案和翼型翅片位置。該研究為翼型翅片在工程車輛的散熱器中的應用提供了經驗認知。

4 結論

通過對工程車輛管片式散熱器單元體進行CFD數值仿真分析，利用試驗數據與仿真結果進行對比；隨后采用翼型翅片代替原始扁平翅片的單元體模型進行數值模擬，對比兩者的綜合評價因子；最后研究翼型方案、翼型類型和翼型位置對散熱器散熱性能的影響，并通過正交實驗的方法找到其最優組合。得出以下結論。

(1)驗證表明，試驗與仿真結果吻合程度較高，證明了該仿真方法的可信程度。

(2) NACA 0021翼型翅片結構與扁平翅片結構相比，具有更高的換熱能力，且對空氣阻力的影響并不顯著。在速度為2 m/s時改善效果最為明顯，綜合評價因子高出扁平翅片結構14.57%；在速度為12 m/s時改善最小，綜合評價因子高出扁平翅片結構5.73%。

表2 L9(33)正交實驗及數據分析

注：∑為求和符號；I、II、III分別為正交實驗中的每種因素的水平1、水平2、水平3的綜合評價因子；R為極差值。

圖12 正交實驗綜合評價因子對比

(3)翼型翅片的種類和方案對換熱系數與壓力損失的影響較大，移動位置對換熱系數和壓力損失的影響較小；最后得到方案2、翼型NACA0015和翼型左移2 mm的配置組合時的綜合評價因子最大，散熱性能改善最明顯，這為翼型翅片結構在改善散熱器傳熱性能的后續研究提供了可視化的認知。