平行流冷凝器空氣側(cè)換熱性能和壓降的CFD仿真及試驗(yàn)研究.pdf

1、平行流冷凝器已廣泛應(yīng)用于轎車、卡車、面包車甚至大客車,是最有前途的冷凝器形式。高效化、小型化、輕量化、低成本化是平行流冷凝器的發(fā)展方向。如何有效提高平行流冷凝器類緊湊式熱交換器的空氣側(cè)換熱系數(shù),降低空氣側(cè)壓降就成為近年來(lái)強(qiáng)化換熱領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)之一。國(guó)內(nèi)外科學(xué)工作者在熱交換器空氣側(cè)結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)其空氣側(cè)性能的影響規(guī)律和強(qiáng)化換熱機(jī)理方面進(jìn)行了深入、系統(tǒng)的研究,同時(shí)也存在著較為明顯的局限性,主要體現(xiàn)在:①由于研究對(duì)象的空氣側(cè)結(jié)構(gòu)參數(shù)差異較大,使得

2、不同研究者對(duì)同一問(wèn)題進(jìn)行研究后可能得到不同的結(jié)論;而且絕大多數(shù)研究對(duì)象的冷凝器厚度大于16mm,如果將其研究結(jié)果直接用于工程設(shè)計(jì),開發(fā)厚度小于16mm的高效平行流冷凝器,就有可能產(chǎn)生很大的偏差。②過(guò)多地關(guān)注于性能強(qiáng)化方面的普遍性研究而忽略了性能弱化方面的特殊性研究,而事實(shí)上,特殊性才往往能夠?yàn)楣こ淘O(shè)計(jì)帶來(lái)創(chuàng)新和質(zhì)的飛躍。為有效地解決這兩個(gè)問(wèn)題,本文采用試驗(yàn)和CFD仿真分析方法系統(tǒng)地研究了47種厚度為10mm~16mm平行流冷凝器的空氣側(cè)

3、結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)空氣側(cè)換熱系數(shù)和壓降的影響規(guī)律及其內(nèi)在機(jī)理。主要研究成果如下:①建立了能夠真實(shí)反映空氣流動(dòng)和換熱特性的三維CFD仿真模型,與試驗(yàn)結(jié)果相比,通過(guò)CFD仿真計(jì)算得到的空氣側(cè)換熱系數(shù)和壓降的平均誤差不超過(guò)±5.28％。②通過(guò)試驗(yàn)和CFD仿真分析發(fā)現(xiàn),在相同迎面風(fēng)速ufr下,降低扁管厚度可提高平行流冷凝器空氣側(cè)的綜合性能。因此,降低扁管厚度是發(fā)展高效節(jié)能平行流冷凝器的一個(gè)重要方向。③通過(guò)CFD仿真分析發(fā)現(xiàn),在相同雷諾數(shù)Re LP下,百

4、葉窗轉(zhuǎn)向區(qū)長(zhǎng)度的改變對(duì)平行流冷凝器空氣側(cè)的綜合性能基本不產(chǎn)生影響;而隨著百葉窗間距的增加,平行流冷凝器的綜合系數(shù)將出現(xiàn)峰值;當(dāng)冷凝器厚度降低時(shí),綜合系數(shù)將持續(xù)增加。因此,降低平行流冷凝器的厚度是發(fā)展高效節(jié)能平行流冷凝器的一個(gè)重要方向,在此基礎(chǔ)之上,合理地選擇百葉窗間距有助于獲得最佳的空氣側(cè)綜合性能。④通過(guò)CFD仿真分析,發(fā)現(xiàn)了“強(qiáng)制有序流動(dòng)”現(xiàn)象,它對(duì)平行流冷凝器空氣側(cè)換熱系數(shù)和壓降的影響強(qiáng)弱只與百葉窗的結(jié)構(gòu)參數(shù)有關(guān),特別是受百葉窗角度

5、和翅片間距的影響很大。當(dāng)出現(xiàn)“強(qiáng)制有序流動(dòng)”現(xiàn)象時(shí),平行流冷凝器空氣側(cè)綜合性能將產(chǎn)生弱化。因此,在工程設(shè)計(jì)中要盡量避免產(chǎn)生“強(qiáng)制有序流動(dòng)”。⑤推導(dǎo)了適用于10mm~16mm厚高效平行流冷凝器開發(fā)的α關(guān)聯(lián)式,與公認(rèn)的預(yù)測(cè)精度較高的Webb關(guān)聯(lián)式、Chang關(guān)聯(lián)式和Kim關(guān)聯(lián)式相比,通過(guò)α關(guān)聯(lián)式計(jì)算得到的落入±10%誤差范圍的空氣側(cè)換熱系數(shù)和壓降數(shù)據(jù)比上述三種關(guān)聯(lián)式的高44%以上。本文的創(chuàng)新點(diǎn)在于:①發(fā)現(xiàn)并定義了“強(qiáng)制有序流動(dòng)”現(xiàn)象。②建立

6、了沖擊角的計(jì)算方法,并將其作為獨(dú)立變量應(yīng)用到關(guān)聯(lián)式的構(gòu)筑當(dāng)中。③在構(gòu)筑關(guān)聯(lián)式的過(guò)程中采用了CFD分析數(shù)據(jù),這在以往類似關(guān)聯(lián)式的推導(dǎo)過(guò)程中是沒有的。但它比Webb關(guān)聯(lián)式、Chang關(guān)聯(lián)式和Kim關(guān)聯(lián)式具有更高的預(yù)測(cè)精度和更低的誤差這一事實(shí)說(shuō)明:采用CFD分析數(shù)據(jù)來(lái)構(gòu)筑關(guān)聯(lián)式是充分可行的,這為以后關(guān)聯(lián)式的研究指出了一個(gè)重要發(fā)展方向。本文的研究成果可完全應(yīng)用于工程實(shí)際,這對(duì)于提高我國(guó)高效平行流冷凝器及其類似緊湊式熱交換器的研發(fā)水平具有重要的現(xiàn)