異形孔導(dǎo)流結(jié)構(gòu)板翅換熱器內(nèi)部流體流動(dòng)與傳熱特性

劉景成，魏修亭，魏振文,3

(1.山東理工大學(xué)精密制造與特種加工省級(jí)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山東淄博 255049；2.山東理工大學(xué)數(shù)字化設(shè)計(jì)制造工程技術(shù)研究中心，山東淄博 255049；3.青島德固特節(jié)能裝備股份有限公司設(shè)計(jì)研發(fā)中心，山東青島 266000)

0 前言

板翅換熱器作為超大型空分裝備的重要組成部分，承擔(dān)著整個(gè)裝備冷熱流體熱量交換的責(zé)任，其傳熱效率的變化直接決定空分裝備性能。研究如何改進(jìn)換熱器入口導(dǎo)流結(jié)構(gòu)，提升換熱器內(nèi)流體分布的均勻性，進(jìn)而充分利用換熱器內(nèi)部空間，促使冷/熱流體均勻換熱，成為提升板翅換熱器性能的關(guān)鍵。考慮到板翅換熱器在空分裝備中的重要作用，國(guó)內(nèi)外學(xué)者分別從流體流動(dòng)分析、流道與翅片結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及它對(duì)傳熱的影響、換熱器關(guān)鍵結(jié)構(gòu)優(yōu)化等多個(gè)方面開展相關(guān)研究工作。

在板翅換熱器內(nèi)部流體流動(dòng)分析方面，部分學(xué)者采用CFD數(shù)值模擬并結(jié)合具體工況下搭建的物理試驗(yàn)平臺(tái)對(duì)流體流動(dòng)特性進(jìn)行分析，得出不同流道、不同翅片對(duì)換熱器內(nèi)部流體流動(dòng)的影響。張哲、WEN等采用PIV(Particle Image Velocity)方法研究板翅換熱內(nèi)部流體流動(dòng)特性，分析不同導(dǎo)流結(jié)構(gòu)、不同流體參數(shù)變化帶來的換熱器流體流動(dòng)以及熱量傳遞變化。文獻(xiàn)[11]分析了板翅換熱器不同流道結(jié)構(gòu)下流體的流動(dòng)特點(diǎn)，提出一種側(cè)向M形新型流道結(jié)構(gòu)，對(duì)比了傳統(tǒng)平直流道與新型流道結(jié)構(gòu)差異性，得出新型流道結(jié)構(gòu)下?lián)Q熱器內(nèi)部流場(chǎng)的變化。LIU等研究了板翅換熱器入口翅片排列方式對(duì)換熱器傳熱性能的影響，將板翅換熱器入口位置劃分為三段，分析了三區(qū)段下7種不同翅片排列對(duì)板翅換熱器流場(chǎng)與溫度場(chǎng)的影響。

在板翅換熱器關(guān)鍵導(dǎo)熱結(jié)構(gòu)改進(jìn)及換熱傳熱性能影響分析方面，國(guó)內(nèi)外學(xué)者提出了耐高溫陶瓷翅片、仿生翅片等新型翅片結(jié)構(gòu)。同時(shí)，采用小撓度薄板理論、Bayesian迭代、正則迭代以及Adomian分解等方法研究了不同翅片的導(dǎo)熱性能。

板翅換熱器入口結(jié)構(gòu)導(dǎo)致?lián)Q熱器內(nèi)部流體分布不均勻問題非常明顯，為了提升板翅換熱器的傳熱效率，部分學(xué)者針對(duì)板翅換熱器流體均勻分布問題開展了研究工作。張哲、吳裕遠(yuǎn)等提出了一種二次封頭結(jié)構(gòu)，通過在換熱器入口位置增加非均勻孔徑的二次封頭結(jié)構(gòu)，提升換熱器在入口位置的流動(dòng)均勻性。文獻(xiàn)[21]針對(duì)板翅換熱器的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，采用遺傳算法與正交試驗(yàn)相結(jié)合的方式對(duì)換熱器入口位置導(dǎo)流結(jié)構(gòu)進(jìn)行二維尺度上的多目標(biāo)優(yōu)化，擬合入口導(dǎo)流結(jié)構(gòu)函數(shù)，但是該優(yōu)化過程中給出的導(dǎo)流結(jié)構(gòu)仍然是均一孔徑的圓孔結(jié)構(gòu)。分析板翅換熱器入口結(jié)構(gòu)可以發(fā)現(xiàn)，普通的圓孔結(jié)構(gòu)可以在一定程度上實(shí)現(xiàn)流體均勻分布，但是考慮到換熱器入口位置流體的沖擊作用，導(dǎo)流結(jié)構(gòu)孔徑位置流體速度與孔徑不是垂直關(guān)系，因此傳統(tǒng)的圓孔結(jié)構(gòu)并不能很好地實(shí)現(xiàn)流體的均布作用。

此外，袁培、ZHANG、WEN等分別給出特定尺寸的導(dǎo)流結(jié)構(gòu)，并采用試驗(yàn)方式對(duì)結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證。結(jié)果表明，添加導(dǎo)流結(jié)構(gòu)后，換熱器內(nèi)部流體的流動(dòng)均勻分布程度明顯提升。仇嘉等人采用數(shù)值計(jì)算的方式分析了板翅式換熱器封頭結(jié)構(gòu)與導(dǎo)流片對(duì)流體分配的影響。GULLAPALLI 和SUNDEN研究了換熱器中徑向熱傳導(dǎo)、入口處流體流動(dòng)的非均勻性問題及冷熱流道中溫度的分布情況，提出交叉流換熱器有限元分析方法。LI等研究了對(duì)流傳熱過程中粗糙表面的強(qiáng)化傳熱機(jī)制，揭示了隨著流體數(shù)的增加，換熱器對(duì)流傳熱過程總是會(huì)對(duì)應(yīng)一個(gè)最大Nusselt數(shù)比值，并采用試驗(yàn)與數(shù)值分析相結(jié)合的方式分析了2種不同翅片表面(X形與弧形)開縫翅片中流體流動(dòng)與傳熱特性；采用PIV與紅外熱成像系統(tǒng)相結(jié)合的方式觀察范圍為[558～2 235]時(shí)，翅片導(dǎo)熱與流體流動(dòng)的特性。

上述研究分別從板翅換熱器翅片結(jié)構(gòu)、流體流動(dòng)以及導(dǎo)流結(jié)構(gòu)優(yōu)化等多個(gè)方向開展相關(guān)研究，證明了導(dǎo)流結(jié)構(gòu)對(duì)流體均布以及換熱器強(qiáng)化傳熱特性具有非常重要的影響。針對(duì)導(dǎo)流結(jié)構(gòu)的分析，尚未見到根據(jù)流體流動(dòng)形式改進(jìn)板翅換熱器入口流體縱向分布等方面的相關(guān)研究。考慮流體流動(dòng)速度矢量變化設(shè)計(jì)的異形孔導(dǎo)流結(jié)構(gòu)具有以下特點(diǎn)：

(1)異形孔導(dǎo)流結(jié)構(gòu)改變流體流動(dòng)，提升流體均勻性

異形孔導(dǎo)流結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過程中，主要考慮了空間尺度上各監(jiān)測(cè)點(diǎn)附近的流體速度分布，針對(duì)監(jiān)測(cè)到的流體速度大小與速度方向變化，對(duì)傳統(tǒng)導(dǎo)流結(jié)構(gòu)孔形進(jìn)行改進(jìn)。改進(jìn)后得到的異形孔孔形結(jié)構(gòu)可以促進(jìn)流體流量均衡，提升板翅換熱器入口位置流體分布的均勻性。

(2)異形孔導(dǎo)流結(jié)構(gòu)促進(jìn)熱量平衡，提升換熱器傳熱性能

異形孔導(dǎo)流結(jié)構(gòu)的孔形設(shè)計(jì)原則是流體流量均衡，采用了異形孔導(dǎo)流結(jié)構(gòu)后，入口位置流體的渦流流動(dòng)性降低，減少了流體動(dòng)能損失。此外，經(jīng)過導(dǎo)流結(jié)構(gòu)的流體均勻分布程度得到了提升，可促進(jìn)同層翅片不同流道內(nèi)部流體流量均衡，加速各流道內(nèi)部流體熱量交換，實(shí)現(xiàn)換熱器傳熱性能的提升。

因此，本文作者針對(duì)板翅換熱器的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，在充分考慮了換熱器入口位置流體流動(dòng)特性的基礎(chǔ)上，提出一種板翅換熱器入口異形孔導(dǎo)流增效結(jié)構(gòu)；同時(shí)，針對(duì)異形孔結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，分析不同工況下?lián)Q熱器異形孔的導(dǎo)流增效性能，并與傳統(tǒng)導(dǎo)流結(jié)構(gòu)相對(duì)比，驗(yàn)證所提出的導(dǎo)流結(jié)構(gòu)在流體均勻分布方面優(yōu)于傳統(tǒng)的圓孔導(dǎo)流結(jié)構(gòu)，研究結(jié)果為后續(xù)強(qiáng)化板翅換熱器傳熱性能提供參考。

1 板翅換熱器異形孔結(jié)構(gòu)

板翅換熱器主要由翅片、隔板與封條組成，多層翅片相互疊加形成一個(gè)換熱單元。由于換熱器的多層結(jié)構(gòu)特征，導(dǎo)致?lián)Q熱器入口位置極易出現(xiàn)不同層之間入口位置流體分布不均勻問題。相比傳統(tǒng)圓孔結(jié)構(gòu)，異形孔分配器結(jié)構(gòu)孔形曲線與流體流動(dòng)對(duì)應(yīng)，異形孔結(jié)構(gòu)選取的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)為經(jīng)過導(dǎo)流結(jié)構(gòu)之后的流體流量的均勻程度。異形孔結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過程中各流道內(nèi)部流體流量表示為

(1)

式中：為流體質(zhì)量流量；為第個(gè)節(jié)點(diǎn)附近流體速度；為導(dǎo)流結(jié)構(gòu)上小孔的面積。

入口流體總流量恒定，如果要求經(jīng)過導(dǎo)流結(jié)構(gòu)的流體分布盡可能均勻，則需要滿足流體流動(dòng)速度與對(duì)應(yīng)的面積之積為恒值。因此，可以認(rèn)為對(duì)應(yīng)異形孔位置面積與流體流動(dòng)速度之間成反比關(guān)系。根據(jù)上述分析，若導(dǎo)流結(jié)構(gòu)孔間距均勻，則板翅換熱器入口位置異形孔導(dǎo)流結(jié)構(gòu)上，小孔各控制點(diǎn)附近曲率半徑可以表示為

(2)

式中：為流體流動(dòng)速度與檢測(cè)點(diǎn)之間連線的夾角；為基圓半徑；為各監(jiān)測(cè)點(diǎn)附近曲率權(quán)重。

異形孔導(dǎo)流結(jié)構(gòu)下，流體微團(tuán)運(yùn)動(dòng)如圖1所示。沿主流方向，流體存在一定程度的結(jié)構(gòu)不一致，引起流體微團(tuán)在導(dǎo)流板附近的流體微團(tuán)流動(dòng)速度產(chǎn)生一定程度的橫向速度分量，造成導(dǎo)流板孔型附近的流體速度分布不均勻。分析板翅換熱器入口位置流體流動(dòng)可以看出，在換熱器入口位置，流體速度方向同時(shí)存在著差異。對(duì)各流體微團(tuán)速度進(jìn)行分解，如圖2所示。其中，表示各檢測(cè)點(diǎn)位置，表示各監(jiān)測(cè)點(diǎn)附近的流體速度，′、″表示速度在不同方向上的分量，表示采用傳統(tǒng)圓孔結(jié)構(gòu)的中心位置。在傳統(tǒng)圓孔導(dǎo)流結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上,結(jié)合各監(jiān)測(cè)點(diǎn)速度變化，得出異形孔孔形曲線。其中，各檢測(cè)點(diǎn)位置沿流道方向的速度矢量可以表示為

=+=·+·

(3)

圖1 板翅換熱器異形孔結(jié)構(gòu)流體微團(tuán)流動(dòng)示意

圖2 流體速度空間分布示意

異形孔導(dǎo)流結(jié)構(gòu)第個(gè)小孔面積與對(duì)應(yīng)位置流量的計(jì)算公式分別為

(4)

=·

(5)

式中：為沿流道方向上的流體速度矢量；為沿流體流動(dòng)方向上流體速度矢量；為垂直于流動(dòng)方向的流體速度矢量;為導(dǎo)流結(jié)構(gòu)第個(gè)小孔直徑；為對(duì)應(yīng)方向上的單位矢量。

結(jié)合NURBS曲線擬合方式，給出不同空間位置異形孔導(dǎo)流結(jié)構(gòu)孔形計(jì)算，樣條基函數(shù)可以表示為

(6)

式中：為節(jié)點(diǎn)序列；,-1()為樣條曲線基函數(shù)。

針對(duì)各控制點(diǎn)的速度矢量變化，采用合適的權(quán)重系數(shù)對(duì)曲線函數(shù)進(jìn)行修改，經(jīng)過修改后得到的擬合異形孔曲線方程可以表示為

(7)

2 異形孔結(jié)構(gòu)下板翅換熱器出口位置流體流動(dòng)計(jì)算

2.1 出口位置流體流動(dòng)與傳熱計(jì)算

通過改變異形孔導(dǎo)流結(jié)構(gòu)孔形曲線的方式，改變流體在換熱器入口位置的均勻分布程度，進(jìn)而影響換熱器整體的傳熱性能。本文作者在對(duì)板翅換熱器入口分配器異形孔結(jié)構(gòu)下流體流動(dòng)以及熱量傳熱影響問題進(jìn)行分析之前，提出如下假設(shè)：(1)入口初始位置流體分布均勻；(2)流體為單相流；(3)入口位置翅片排列均勻；(4)板翅換熱器翅片與隔板導(dǎo)熱均勻；(5)忽略導(dǎo)流結(jié)構(gòu)厚度對(duì)流體流動(dòng)影響；(6)忽略流體沖擊引起的導(dǎo)流結(jié)構(gòu)變形；(7)忽略壁面與外界導(dǎo)熱；(8)板翅換熱器導(dǎo)流結(jié)構(gòu)孔間距均衡。

基于上述假設(shè)，流體流動(dòng)過程中的連續(xù)性方程可以表示為

(8)

式中：為流體密度；為流體速度。

流體流動(dòng)過程中的動(dòng)量方程可以表示為

(9)

式中：為流體壓力；為流體黏度；為湍動(dòng)黏度；為動(dòng)量廣義源項(xiàng)。

能量方程可以表示為

(10)

板翅換熱器流道內(nèi)雷諾數(shù)可以表示為

(11)

(12)

式中：為水力直徑；為流體動(dòng)力黏度；為翅片長(zhǎng)度；為翅片高度；為翅片間距；為翅片厚度。

由于超大型空分裝備中，板翅換熱器內(nèi)部流體流量較大，流道內(nèi)流體的流動(dòng)型式通常為湍流。采用湍流流動(dòng)方式對(duì)流體流動(dòng)進(jìn)行分析。

湍動(dòng)能計(jì)算方程為

(13)

湍流耗散計(jì)算方程為

(14)

式中：為流體湍動(dòng)黏度，其表達(dá)式為

(15)

流體流動(dòng)過程中的壓力變化包括流體流動(dòng)過程中的摩擦壓力損失Δ與局部壓力損失Δ，流體流動(dòng)過程中的總壓降損失Δ可以表示為

Δ=Δ+Δ

(16)

對(duì)流體流動(dòng)過程中板翅換熱器流道內(nèi)部局部壓降損失Δ進(jìn)行分析,可以發(fā)現(xiàn)局部壓力壓降損失與流體密度、流道長(zhǎng)度、流體流動(dòng)速度以及水力直徑等多因素有關(guān)。因此，Δ可以表示為

Δ=2

(17)

分析沿程壓降Δ損失可以發(fā)現(xiàn)，Δ與流體密度、流體流動(dòng)速度以及流體摩爾數(shù)相關(guān)，其表達(dá)式為

Δ=2

(18)

2.2 異形孔結(jié)構(gòu)出口位置流體均布與傳熱性能評(píng)價(jià)

為更好地研究板翅換熱器異形孔導(dǎo)流結(jié)構(gòu)對(duì)換熱器入口位置流體均布以及傳熱性能的影響，采用換熱器性能與能耗比對(duì)換熱器性能進(jìn)行評(píng)價(jià)。導(dǎo)流結(jié)構(gòu)下?lián)Q熱器性能與能耗比的計(jì)算如下：

(19)

(20)

3 異形孔結(jié)構(gòu)的流體流動(dòng)特性分析

結(jié)合圖1中的分析模型，設(shè)置板翅換熱器入口結(jié)構(gòu)尺寸以及入口流體流動(dòng)參數(shù)如表1所示。

表1 板翅換熱器入口結(jié)構(gòu)與流體參數(shù)

根據(jù)表1中的板翅換熱器結(jié)構(gòu)與流體參數(shù)，計(jì)算換熱器入口位置流體雷諾數(shù)=6.79×10并設(shè)計(jì)板翅換熱器模型。同時(shí),調(diào)整換熱器基圓上不同監(jiān)測(cè)點(diǎn)的位置，獲得各監(jiān)測(cè)點(diǎn)流體速度分量與坐標(biāo)軸夾角。通過計(jì)算，得到異形孔孔形曲線權(quán)重因子，進(jìn)而完成板翅換熱器異形孔結(jié)構(gòu)1/4段曲線設(shè)計(jì)。圖3、圖4分別給出了板翅換熱器異形孔與圓孔不同孔形導(dǎo)流結(jié)構(gòu)模型。可以看出:異形孔導(dǎo)流結(jié)構(gòu)孔形主要取決于各監(jiān)測(cè)點(diǎn)附近的流體橫向速度()分布，不同流體橫向速度()導(dǎo)致孔形結(jié)構(gòu)發(fā)生較大變化。針對(duì)不同孔形導(dǎo)流結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，得出板翅換熱器不同孔形導(dǎo)流結(jié)構(gòu)入口位置流場(chǎng)與速度場(chǎng)分布。

圖3 基圓擬合樣條曲線 (無權(quán)重因子)

圖4 基圓擬合樣條曲線 (帶權(quán)重因子)

3.1 異形孔結(jié)構(gòu)的流體速度分析

針對(duì)板翅換熱器異形孔導(dǎo)流結(jié)構(gòu)開展相關(guān)分析，著重分析不同孔形結(jié)構(gòu)時(shí)流體流動(dòng)速度變化，結(jié)果如圖5、圖6所示。圖5所示為板翅換熱器圓孔導(dǎo)流結(jié)構(gòu)與異形孔導(dǎo)流結(jié)構(gòu)下，板翅換熱器出口位置流體速度分布云圖(面)。對(duì)比圖6可以看出，相同位置的圓孔導(dǎo)流結(jié)構(gòu)附近的流體流動(dòng)速度較為集中，異形孔導(dǎo)流結(jié)構(gòu)在設(shè)計(jì)過程中充分考慮了不同檢測(cè)位置下流體速度的變化，因此流體流動(dòng)過程中其流體均勻分布程度明顯優(yōu)于圓孔導(dǎo)流結(jié)構(gòu)。

圖5 圓孔結(jié)構(gòu)出口速度分布

圖6 異形孔結(jié)構(gòu)出口速度分布

圖7所示為板翅換熱器圓孔與異形孔導(dǎo)流結(jié)構(gòu)入口位置與出口位置速度分布曲線(面)。可以看出采用異形孔導(dǎo)流結(jié)構(gòu)，換熱器出口位置流體速度均值降低，速度分布更加均衡。

圖7 板翅換熱器出口位置速度對(duì)比

3.2 異形孔結(jié)構(gòu)特征的流體壓力分析

板翅換熱器不同導(dǎo)流結(jié)構(gòu)可改變流體流動(dòng)方式，提升流體流動(dòng)均勻分布程度，合理孔形的導(dǎo)流結(jié)構(gòu)不僅可以提升換熱器的均布性，同時(shí)也能引起換熱器壓降的改變，減小換熱器能耗。圖8、圖9給出了不同工況條件下板翅換熱器入口位置壓力變化云圖(面)。可以看出：圓孔形導(dǎo)流結(jié)構(gòu)由于存在流體的沖擊作用導(dǎo)致正對(duì)入口位置處壓力較大，壓力沿中心位置向四周擴(kuò)散；異形孔導(dǎo)流結(jié)構(gòu)由于孔形與入口中心不對(duì)應(yīng)，流體的沖擊作用較弱，壓力沿中心向四周擴(kuò)散程度較弱，異形孔周圍壓力分布均勻程度優(yōu)于圓孔。

圖8 圓孔結(jié)構(gòu)出口壓力分布

圖9 異形孔結(jié)構(gòu)出口壓力分布

圖10所示為板翅換熱器圓孔與異形孔導(dǎo)流結(jié)構(gòu)出口位置流體動(dòng)態(tài)壓力分布對(duì)比結(jié)果(面)。可以看出：在相同入口條件下，圓孔導(dǎo)流結(jié)構(gòu)板翅換熱器出口位置的壓力變化高于異形孔導(dǎo)流結(jié)構(gòu)。分析兩種不同導(dǎo)流結(jié)構(gòu)可以發(fā)現(xiàn)：產(chǎn)生上述情況的主要原因是異形孔導(dǎo)流結(jié)構(gòu)存在一定程度的流體沖擊，可緩解異形孔附近流體流動(dòng)作用，提升流體流動(dòng)均布程度，異形孔附近壓力分布較為均衡；相比之下，圓孔導(dǎo)流結(jié)構(gòu)附近流體沖擊作用較小，流量均布性差異較大。因此，圓孔導(dǎo)流結(jié)構(gòu)局部位置壓力變化較大。對(duì)比異形孔與圓孔導(dǎo)流結(jié)構(gòu)可以看出，異形孔導(dǎo)流結(jié)構(gòu)下流體均勻分布程度較好，流體壓力分布較為均衡。

圖10 板翅換熱器出口位置壓力對(duì)比

3.3 異形孔結(jié)構(gòu)傳熱分析

分析板翅換熱器不同導(dǎo)流結(jié)構(gòu)對(duì)流體均布性的影響可以發(fā)現(xiàn)，板翅換熱器圓孔導(dǎo)流結(jié)構(gòu)與異形孔導(dǎo)流結(jié)構(gòu)改變換熱器流體均勻分布。其中，圓孔導(dǎo)流結(jié)構(gòu)可以通過不同圓孔的排列方式提升流體均勻分布程度，而設(shè)計(jì)異形孔導(dǎo)流結(jié)構(gòu)時(shí)是直接針對(duì)每一個(gè)孔的形狀進(jìn)行分析，在充分考慮各異形孔附近流體速度變化的基礎(chǔ)上，完成的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。異形孔導(dǎo)流結(jié)構(gòu)改變了傳統(tǒng)圓孔導(dǎo)流結(jié)構(gòu)孔形的方式，提升了流體均布性以及換熱器傳熱效率。

圖11—圖13分別給出了圓孔導(dǎo)流結(jié)構(gòu)與異形孔導(dǎo)流結(jié)構(gòu)換熱器的傳熱特性分析結(jié)果。由圖11—圖12可以看出：與圓孔導(dǎo)流結(jié)構(gòu)相比，異形孔導(dǎo)流結(jié)構(gòu)換熱器內(nèi)部流體總焓分布更均勻，異形孔對(duì)流體沖擊的緩和導(dǎo)致局部總焓分布更均衡。由圖13可以看出：在相同入口條件下，異形孔導(dǎo)流結(jié)構(gòu)與圓孔形導(dǎo)流結(jié)構(gòu)板翅換熱器入口總焓幾乎無明顯變化，而在出口位置由于孔形不同，導(dǎo)致出口總焓變化較大；與圓孔導(dǎo)流結(jié)構(gòu)相比，異形孔導(dǎo)流結(jié)構(gòu)板翅換熱器出口位置總焓降低表明其熱量降低的速度優(yōu)于圓孔導(dǎo)流結(jié)構(gòu)。

圖11 圓孔結(jié)構(gòu)總焓變化

圖12 異形孔結(jié)構(gòu)總焓變化

圖13 不同導(dǎo)流結(jié)構(gòu)板翅換熱器總焓對(duì)比

3.4 不同導(dǎo)流結(jié)構(gòu)換熱器流體均布評(píng)價(jià)

設(shè)計(jì)板翅換熱器入口異形孔導(dǎo)流結(jié)構(gòu)主要目的是提升換熱器入口位置流體均勻分布程度。因此，在相同入口條件下，計(jì)算異形孔導(dǎo)流結(jié)構(gòu)板翅換熱器出口位置流體速度分布，結(jié)果為

同理，計(jì)算傳統(tǒng)圓孔形導(dǎo)流結(jié)構(gòu)板翅換熱器出口流體均勻分布程度：

由上述計(jì)算結(jié)果可以看出：異形孔導(dǎo)流結(jié)構(gòu)可使板翅換熱器內(nèi)部流體流動(dòng)均勻分布程度提升，流體速度均方差較小，表明流體流動(dòng)的均勻分布得到一定程度的提升。與異形孔導(dǎo)流結(jié)構(gòu)相比，采用圓孔形導(dǎo)流結(jié)構(gòu)的板翅換熱器出口流體均勻分布均方差較大，表明出口位置流體速度離散程度較高，流體均勻分布程度較差。

針對(duì)板翅換熱器圓孔與異形孔導(dǎo)流結(jié)構(gòu)對(duì)流體流動(dòng)與換熱能耗綜合影響的問題，分別計(jì)算不同導(dǎo)流結(jié)構(gòu)下流體流動(dòng)特性評(píng)價(jià)參數(shù)：

異形孔導(dǎo)流結(jié)構(gòu)下，板翅換熱器入口導(dǎo)流結(jié)構(gòu)性能評(píng)價(jià)參數(shù)計(jì)算公式如下：

傳統(tǒng)圓孔導(dǎo)流結(jié)構(gòu)下，板翅換熱器入口導(dǎo)流結(jié)構(gòu)性能評(píng)價(jià)參數(shù)計(jì)算如下：

從上述計(jì)算結(jié)果中可以看出，異形孔導(dǎo)流結(jié)構(gòu)可以在一定程度上提升換熱器流體均勻分布程度，但是同時(shí)改變了傳統(tǒng)導(dǎo)流結(jié)構(gòu)流體流動(dòng)方式，會(huì)引起一定程度的流體沖擊。因此，在異形孔導(dǎo)流結(jié)構(gòu)下，流體流動(dòng)過程中的壓降變化較大。可以看出，單一異形導(dǎo)流結(jié)構(gòu)不能很好地平衡流體均布、流體熱量傳遞與壓降變化三者之間的關(guān)系，因此需要根據(jù)不同工況條件采用合適的優(yōu)化方法對(duì)異形孔導(dǎo)流結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，以改善換熱器熱壓比、提升換熱器的傳熱性能。

4 結(jié)論

本文作者在分析板翅換熱器國(guó)內(nèi)外相關(guān)研究現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上，主要研究了入口分配器結(jié)構(gòu)對(duì)換熱器內(nèi)流體流動(dòng)特性影響。主要結(jié)論有：

(1)與傳統(tǒng)圓孔導(dǎo)流結(jié)構(gòu)相比，異形孔導(dǎo)流結(jié)構(gòu)可以較好地提升流量以及溫度均勻分布程度；對(duì)比異形孔與圓孔導(dǎo)流結(jié)構(gòu)流場(chǎng)以及溫度場(chǎng)變化可以看出，通過改變異形孔導(dǎo)流結(jié)構(gòu)監(jiān)測(cè)點(diǎn)附近流體速度變化，改善孔形曲線形狀，換熱器內(nèi)部流量隨之發(fā)生改變，可使換熱器內(nèi)部流量與溫度分布更加均衡；

(2)異形孔導(dǎo)流結(jié)構(gòu)孔形曲線隨著導(dǎo)流結(jié)構(gòu)空間檢測(cè)點(diǎn)速度變化發(fā)生改變，孔形與換熱器入口存在不對(duì)應(yīng)，容易引起流體對(duì)導(dǎo)流結(jié)構(gòu)的沖擊；相比圓孔形導(dǎo)流結(jié)構(gòu)，異形孔導(dǎo)流結(jié)構(gòu)可以顯著降低來流方向上的流體沖擊效應(yīng)，提升流量均布程度；

(3)異形孔導(dǎo)流結(jié)構(gòu)改變流體均勻分布的同時(shí)導(dǎo)致?lián)Q熱器能耗增加，與傳統(tǒng)圓孔形導(dǎo)流結(jié)構(gòu)相比，采用異形孔導(dǎo)流結(jié)構(gòu)的換熱器出口位置流量均布且能耗比較低，這表明異形孔導(dǎo)流結(jié)構(gòu)在一定程度上可以實(shí)現(xiàn)換熱器內(nèi)部流量均勻，同時(shí)能耗損失較低。因此，在實(shí)際生產(chǎn)過程中需要充分考慮影響孔形以及孔布局的各個(gè)因素，對(duì)異形孔結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)與優(yōu)化，才能獲得預(yù)期的導(dǎo)流增效效果。