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多结构百叶窗翅片的数值模拟和性能分析 华中科技大学 舒朝晖 王福宝 陈焕新 谢军龙 路阳 马荣峰 摘 要：运用Fluent软件对建立的6种多结构百叶窗翅片的风场进行数值模拟。通过其传热和流动性能的比较，得出最好的区域划分方法。研究结果显示，在迎面风速为2.5m/s的情况下，区域划分数为6的百叶窗翅片的传热性能最好。较普通翅片，其换热系数提高9.5%，而且流阻略有下降。这种趋势随着迎面风速的增加会有所提高。当迎面风速为6m/s时，其换热系数提高17.7%，而流阻略有上升。 关键词：多结构 区域 百叶窗翅片 数值模拟 前言 带有百叶窗翅片的平行流换热器已广泛用于汽车空调中，因其优点众多[1]，所以逐渐受到家用空调厂商的重视。根据目前的研究显示，在任意类型的空冷式换热器中，空气侧对流热阻超过整个换热系统热阻的75%[2～4]。因此，很多提高换热的技术都集中在空气侧表面。 本文运用Fluent软件进行仿真，对多结构百叶窗翅片进行研究，从而更深入了解其强化传热和流动机理，进而分析出更为有效的分结构的方法。多结构百叶窗翅片是有钟昌雄[5]等人提出。它是运用翅片表面有或无规则的排列，破坏翅片表面流体的边界层，获得更高的换热系数。传统百叶窗翅片开窗为对开窗，开窗区域数为2。多结构的百叶窗，通过其分布的不规则性，可以达到流体通过性好，流场在翅片表面分布更均匀，因而温度场和压力场更加均匀。本文所设计的多区域百叶窗翅片与钟昌雄等人提出的有本质的不同。钟昌雄提出的是基于同一尺寸的百叶窗进行分布，而本文是基于翅片结构百叶窗所占面积最大化而设计，百叶窗尺寸有所变化。 计算模型 2.1 多结构开窗翅片结构及几何参数 本文共建立了6个模型进行分析，表1是6个模型的共有结构参数。所有模型的翅片长度Fd 和翅片高度Tp相等，旨在保证各模型空气侧的换热面积相等，从而方便比较他们换热系数的好坏。各模型具体尺寸如图1至图6所示。其中图2为普通翅片模型，其开窗区域数为2，因此把他称为2号翅片。 表1 模型共有结构参数 参数 名称百叶窗 间距Lp百叶窗 角度θ翅片间距Fp翅片厚度δ翅片长度Fd扁??厚度Td进口区长度S1转向区长度S2翅片高度Tp参数 尺寸2.0mm27°1.4mm0.1mm24mm0.3mm1.0mm2.0mm8.15mm 图1开窗区域为1的翅片（1号翅片） 图2开窗区域为2翅片（2号翅片） 图3开窗区域为3的翅片（3号翅片） 图4开窗区域为4翅片（4号翅片） 图5开窗区域为5的翅片（5号翅片） 图6开窗区域为6翅片（6号翅片） 2.2 计算模型的简化 本文对所有模型进行研究时都做了如下假设： （1）空气为不可压缩气体； （2）不考虑因加工等因素所造成的变形和毛刺的影响，假定流道流动均匀； （3）忽略重力对传热和压降的影响； （4）空气的热容量远小于壁面的热容量，因而忽略空气的热容量。 2.3 控制方程及边界条件 Perrotin T, Clodic, D [6]用CFD软件对百叶窗翅片流动和换热与以百叶窗间距为特征尺寸计算的雷诺数的关系得出，当40 ReLp 1200时，认为百叶窗翅片内的流动和换热为层流是合理的。本文研究都在层流范围内，因此数据模拟采用三维稳态层流模型。控制方程如下： (1) 连续性方程： （1） 式中为流体的密度，单位为kg/m3；为流体速度沿方向的分量，单位为m/s； (2) 动量方程： （2） 式中是净压力,单位为N； 是粘滞系数,单位为N·s/m2； (3) 能量方程： （3） 式中是空气等压比热，单位为J/kg·k；是导热系数，单位为W/m·℃； 本文为了简化计算，在上述假设条件的基础上，只取扁管间一个翅片单元作为对流换热的研究对象。具体的边界条件做了如下设定： （1）空气入口设为均匀速度入口，迎面风速为，温度为308K； （2）空气出口设为压力出口，出口面直接和大气相连； （3）上下平面设为周期性边界条件，及上下界面的速度、温度、压力都相等； （4）多孔扁管表面为无滑移边界条件，制冷剂侧扁管壁面为第一类边界条件，即温度为358K； （5）扁管和翅片的接触面为耦合计算壁面，计算时采用自身导热和壁面的对流换热进行耦合计算； （6）其他为定义的壁面都默认为绝热壁面。 2.4 数据处理 本文主要考查多结构百叶窗翅片用于平行流冷凝器时的热力性能，即冷凝器空气侧的传热和流动性能