翅片打孔對板翅式換熱器傳熱性能和流場影響

李 治，陳 文 炯，張 天 恩

( 1.大連理工大學 船舶工程學院，遼寧 大連 116024；2.四川九洲電器集團有限責任公司，四川 綿陽 621000 )

0 引 言

為了提高緊湊型換熱器的性能，在過去的幾十年里，研究人員一直在尋找緊湊、節能和環保的換熱器，重量輕、體積小、便攜等換熱器的需求越來越大，不斷提高換熱器的效率和設計更好的設備成為了當前的研究熱點[1-4]．

Kim等[5-6]研究了百葉窗翅片式換熱器的傳熱和壓降特性，研究表明翅片的間距、角度和流動速度對于換熱器的傳熱和壓降特性均有影響，并且換熱系數提高的同時壓降也會增加．

Witry等[7]利用商用CFD軟件Fluent對凹坑式鋁換熱器的換熱性能進行了分析．通過這項研究證實，與現有換熱器相比，凹坑式鋁換熱器具有高的冷卻性能．由于對凹形障礙物的反復撞擊而產生的傳熱增強，更寬和波狀的表面增加了傳熱，卻額外增加了壓降．

Zhang等[8]建立了波紋翅片單元模型，利用Fluent軟件進行了CFD分析，基于多孔介質模型實現了整個散熱器的仿真，得到了波紋翅片的壓降特性．與平行翅片相比，波紋翅片的壓降有較大的增加，但其換熱效果也實現了增強[9-11]．

Kim[12]對新型翅片結構為Y形的散熱器進行了理論分析，發現與普通形狀的肋片相比，在增大同等泵耗功率的情況下，Y形翅片散熱器的熱阻降低幅度更大．

上述研究表明，翅片型換熱器具有較高的熱效率、較大的單位體積傳熱表面積和較小的板厚，因而具有較高的導熱系數．通過設計翅片的構形(如凹坑、波紋、Y形等)可以有效提升換熱器性能，然而現在大部分緊湊型換熱器優越的熱性能是以較高的摩擦損失(即壓降)為代價的，在給定的約束條件下，緊湊型換熱器的優化設計總是需要在增加的換熱率和較高的壓降所導致的功耗之間進行最佳的權衡[13-15]．于是尋找一種可以提高換熱器換熱性能的同時卻不以較高的摩擦損失(即壓降)為代價的換熱器設計顯得至關重要．

本文提出一種新穎而簡單的打孔型通道設計方法，通過打孔的設計破壞流道內流體與壁面之間的換熱邊界層，構造紊流狀態，在提高換熱能力的同時，不明顯增加進出口的壓降．

1 翅片打孔型換熱器性能數值仿真

1.1 幾何模型

簡化的板翅式換熱器模型如圖1所示，一般包括進出口、進出口室、流道以及翅片．本文計算的換熱器模型流體區域包括出入口、入口室、出口室及19個矩形流道．模型總尺寸為360 mm×210 mm×20 mm，出口室和入口室的尺寸為30 mm×206 mm×17 mm，壁面相鄰的最左和最右流道尺寸為300 mm×12 mm×17 mm，其余矩形流道的尺寸為300 mm×10 mm×17 mm；換熱器材料為鋁；流體為水，流體介質從一個口流入，從另一個口流出．翅片打孔型換熱器是在翅片上進行穿孔處理，每根翅片上等間距加工19個通孔，孔的尺寸為6 mm×2 mm×11 mm，如圖2所示．為了方便對比，以后本文中未做處理的板翅式換熱器稱為未打孔型換熱器，進行打孔處理的板翅式換熱器稱為打孔型換熱器．

圖1 未打孔型換熱器

圖2 打孔型換熱器

1.2 邊界條件

液體和固體的接觸表面沒有速度滑移；通道的進口設為質量流入口邊界條件，入口溫度為283 K；出口設為壓力出口邊界條件，出口壓力為零；通道的底部加載恒定熱流密度，分別為40 kW/m2和50 kW/m2，其余表面均為絕熱．

2 仿真結果分析

流體入口質量流的大小及熱流密度的大小是影響換熱器換熱效果的重要因素，由于換熱器底部加的是恒定的熱流，在入口流體溫度一定的情況下，換熱器底部的最高溫度和平均溫度能比較直接地反映出系統的換熱效果．換熱器的最高溫度出現在換熱器的底部，底部的最高溫度越低，說明換熱器的熱阻越小；底部的平均溫度越低，則說明其溫度分布更均勻．同時也比較了兩種換熱器的進出口壓降．

2.1 熱流密度為40 kW/m2時換熱器溫度云圖

本文對200、300、400 g/s共3種入口的質量流進行了模擬，得到了未打孔型換熱器和打孔型換熱器底部的最高溫度及平均溫度和進出口壓降的變化．改變入口質量流后，會發現整體的溫度分布不會發生變化，只是數值的大小變化，隨著質量流的增加，溫度降低，所以只給出一種未打孔型換熱器和打孔型換熱器的溫度云圖．圖3(a)、(b)分別為入口質量流為400 g/s時未打孔型和打孔型換熱器底部的溫度云圖．

圖4為不同入口質量流時未打孔和打孔型換熱器底面的平均溫度和最高溫度，圖5為不同入口質量流時未打孔和打孔型換熱器底面的壓降．從圖4中可以看出，隨著入口質量流從200 g/s增加到400 g/s，未打孔型換熱器的最高溫度從343 K 降到了337 K，而打孔型換熱器的最高溫度由338 K降到了332 K．當質量流增加1倍之后，打孔型換熱器和未打孔型換熱器的最高溫度降低在6 K左右，而通過打孔的設計，最高溫度降低5 K 左右．從圖5可看出，隨著入口質量流從200 g/s 增加到400 g/s，打孔型換熱器和未打孔型換熱器進出口壓降大幅度增加，未打孔型換熱器壓降由2 444 Pa增加到9 506 Pa，于是單純地通過增加進口速度來提高通道的換熱效率會極大地增加其壓力損失．在相同的入口質量流下，打孔型換熱器比未打孔型換熱器的進出口壓降稍微有一些提高，可以看出通過打孔設計，在提高換熱器換熱能力的同時不會大幅增加壓降，是一種比較合理的設計方案．

2.2 熱流密度為50 kW/m2時換熱器溫度云圖

當熱流密度為50 kW/m2時，對200、300、400 g/s共3種入口質量流進行了模擬，得到了未打孔型換熱器和打孔型換熱器底面的最高溫度及平均溫度和進出口壓降的變化．

圖4 不同入口質量流時未打孔及打孔型換熱器底面的平均溫度和最高溫度(熱流密度40 kW/m2)

圖5 不同入口質量流時未打孔和打孔型換熱器底面的壓降(熱流密度40 kW/m2)

圖6為不同入口質量流時未打孔和打孔型換熱器底面平均溫度和最高溫度，圖7為不同入口質量流時未打孔和打孔型換熱器底面的壓降．當熱流密度增加時，未打孔和打孔型換熱器底面的平均溫度和最高溫度變化趨勢沒有發生變化，隨著入口質量流從200 g/s增加到400 g/s，未打孔型換熱器底面的最高溫度由356 K降到348 K，打孔型換熱器底面的最高溫度由349 K降到342 K．從圖7可以看出，隨著入口質量流從200 g/s 增加到400 g/s，打孔型換熱器和未打孔型換熱器進出口壓降大幅度增加，打孔型比未打孔型的進出口壓降稍微有一些提高，但增幅很小．

圖6 不同入口質量流時未打孔和打孔型換熱器底面的平均溫度和最高溫度(熱流密度50 kW/m2)

圖7 不同入口質量流時未打孔和打孔型換熱器底面的壓降(熱流密度50 kW/m2)

3 實 驗

本文采用粒子圖像測速(PIV)技術來實現仿真結果的驗證．PIV是20世紀80年代發展起來的一種流動測量與顯示技術，它能夠在對流場不產生干擾的基礎上，實現流動瞬態、全場的測試，具有較高的測量精度和分辨率[16]．通過實驗得到未打孔型換熱器和打孔型換熱器的流動狀態，通過矢量圖驗證打孔的設計可以破壞流體的熱邊界層，擾亂流體的流動，使孔內的流體匯入通道的主流體中，使流體更加充分混合，從而提高傳熱能力．

3.1 實驗原理

實驗原理是在被測流場中布撒示蹤粒子，通過測量示蹤粒子在已知很短時間間隔內的位移來間接地測量流場的瞬態速度分布來反映流場的運動狀態．對示蹤粒子的運動圖像進行分析，就能夠獲得二維流場的流速分布．流場中某一示蹤粒子在二維平面上運動，其在x、y兩個方向上的位移隨時間的變化為x(t)、y(t)，是時間t的函數．那么，該示蹤粒子所在處的水質點的流速在x方向、y方向分別可以表示為如下：

(1)

(2)

3.2 實驗試件制備

受本實驗條件的限制，沒有同步控制器，所以只能先獲得實驗件的流動情況，然后再處理成為流場圖．實驗系統由蓄水池、水泵、實驗器件、PIV系統組成，帶有示蹤粒子的水儲存在蓄水池里，由水泵抽出，通過實驗器件，然后再回到蓄水池里組成循環，同時通過PIV系統來觀察實驗器件的情況．PIV系統主要包括激光光源和CCD相機．CCD相機用來拍照獲得實驗器件的情況，其實驗圖如圖8所示．實驗器件尺寸為36 cm×20 cm×2 cm，通過3D打印技術打印得到．由于需要對通入帶有示蹤粒子流體的實驗器件情況進行觀察，至少需要一面可以讓CCD相機拍照，一面可以讓激光光源進入，所以至少需要兩面為透明的，故實驗器件為缺兩個面的器件，如圖9所示．為了進行實驗，缺少的兩個面用高透的亞克力板進行補全，實驗器件和亞克力板通過亞克力專用膠實現密封．當進行實驗時，壁板表面很容易有氣泡產生．為了減少氣泡的數量，首先將壁板表面進行清潔，再用拋光蠟對表面進行處理，使表面光滑．然后對亞克力板進行了處理：先用肥皂水進行了表面清潔，用吹風機將其快速吹干，然后在亞克力板表面加一層親水介質，再將其風干．圖10為經過亞克力板密封后的未打孔型和打孔型換熱器實驗器件．

圖8 PIV實驗圖

3.3 實驗結果處理及分析

圖11為數值仿真得到的未打孔型換熱器的局部速度矢量圖，可以看出未打孔型換熱器的速度分布均平行于流道，不存在非平行于流道的．在流道里的速度分布呈拋物線形狀，當流體進入完全發展形態時，會形成較厚的邊界層，邊界層的存在，不利于傳熱，會使換熱器的換熱效率降低，導致換熱效果一般．圖12為實驗得到的未打孔型換熱器的局部速度矢量圖，速度分布主要是平行于流道的，同時也發現一些不是平行于流道的，這是由于實驗中有少許的示蹤粒子會黏到透明的亞克力板上，導致其速度不是像仿真時完全平行于流道，但流體的方向仍可以看作是平行于流道方向．圖13為數值仿真得到的打孔型換熱器的局部速度矢量圖，其速度分布較未打孔型的混亂很多，流道中存在平行于流道的主流，但當主流流到有孔的地方時，由于每個通道存在壓力差，在壓力差的作用下，一部分流體就會在孔內流動，從而產生不同于主流的速度，孔內的流體會匯入到主流中，使原來主流的方向發生變化，在兩個孔之間形成旋渦，破壞了原來的邊界層，使得原來的邊界層厚度降低．圖14為實驗得到的打孔型換熱器的局部速度矢量圖，可以看出，實驗得到的流體的紊流程度更加明顯，由于孔的存在，流體從一個孔流到其他孔中，主流與孔內的流體混合形成了旋渦，使不同溫度的流體混合形成了強對流，從而大幅度提高了換熱能力．通過圖12與14對比可知，打孔的設計使得原來流道里流體的流動狀態更加混亂無序，增加了不同溫度的流體混合，形成了強對流，這也解釋了打孔型設計強化換熱的機理．另外，打孔會使流體與固體的接觸面積變小，從而導致流體與固體的摩擦變小，會使進出口所需要的壓降降低；但打孔的存在，增加了除了主流以外的流動，會增加一部分的壓降，所以，總體來說，打孔的設計會使進出口壓降不會有明顯的提高，但是卻增加了換熱的能力．

圖11 未打孔型換熱器的仿真局部速度矢量圖

圖12 未打孔型換熱器的實驗局部速度矢量圖

圖13 打孔型換熱器的仿真局部速度矢量圖

圖14 打孔型換熱器的實驗局部速度矢量圖

4 結 論

(1)打孔型換熱器底面的最高溫度和平均溫度都要比未打孔型換熱器的低，打孔型換熱器進出口的壓降相較于未打孔型的無明顯增加．

(2)將換熱器通過3D打印技術打印出來進行了PIV實驗，通過實驗發現，與未打孔型換熱器相比，打孔型換熱器由于孔的存在，速度分布較未打孔型的混亂很多，既存在平行于流道的主流，由于孔的存在，孔內的流體與主流混合時又會產生旋渦，破壞了原來的邊界層，使得原來的邊界層厚度降低，從而強化了傳熱．