波纹翅片管中冷器的模拟与实验研究
张庆国，秦思成，马润达
吉林大学机械科学与工程学院
摘 要：本文利用FLUENT软件，采用多孔介质方法对翅片管式中间冷却器的流动和传热特性进行了数值研究，得到了包括温度，压力和不均匀性等分布。分析了空气流量对电阻特性和传热性能的影响。 仿真结果表明，随着空气流量的增加，压降和传热能力增加。 同时，集管内的冷却液分布均匀，最大误差在10％以内。 两种冷却剂流动方案对传热有重要影响。 这些结果还证实，传热率越高，入口冷却剂温度越低。 最后，比较结果表明，基于多孔介质传热模型的数值结果与基于发动机台架试验的实测数据吻合较好。 本文的结论对于翅片管式中冷器的改进具有重要意义。
1.介绍
中冷器作为发动机的核心部件具有重要作用。 例如，它可以降低入口温度并增加空气密度，进而提高燃烧效率。 实验证明，安装中冷器可明显提高发动机功率; 同时，节油效果明显。 而且，还可以减少排放，保护环境。 因此，研究中冷器的工作性能是必要的。
目前，翅片管散热器的研究主要采用实验方法。 董[1] 研究过波状翅片管散热器的热工水力性能。 Oliet[2] 和Shon[3] 研究了翅片管换热器中的冷却剂参数。 温家宝[4] 和焦[5] 和Habib[6] 对板翅式换热器流量分配不均的头部结构进行了实验研究。 近年来，随着仿真技术的不断发展，采用CFD方法处理流体流动和传热问题变得越来越普遍。 研究人员对散热器的传热特性进行了三维数值研究[7–9]。 王[10] 和陈[11]在不使用多孔介质的情况下，基于CFD分析成功地研究了全螺旋折流板换热器的流场和温度场，然而，管翅式散热器是不可能的。 因此，A. A. Masri[12] 预测了全尺寸APU SOFC短堆中的温度分布，这是一种实际上使用多孔介质的板翅式散热器。
并且获得了实验数据和模拟值之间的良好一致性。
目前，中冷器内的翅片型主要采用直翅片。 然而，由于其优异的传热性能，波纹翅片的应用正在增加。 因此，本文主要对波浪鳍片性能进行评估。 在本文中，管翅式中冷器进行了实验和数值研究。 其目的是基于FLUENT软件基于多孔介质模型，了解整个冷却器在不同边界条件下的流动和传热特性。
2.整个换热器模拟模型
2.1.物理模型
波浪翅片和管子的示意图如图所示图。1文章中研究的翅片管中间冷却器具有交错排列的管布置流体通道区域由于波浪翅片而具有复杂的几何形状，这确保了通过增加传热表面和不均匀流动来提高传热系数。 鳍片和水歧管通过钎焊工艺在氮气氛中组装，以确保完美密封。 由于鳍片和管道之间复杂的三维流动，不可能采用数值模拟方法通过软件来预测整个模型的实际流场。
图1.中间冷却器的几何结构。
表格1
中冷器的几何参数。
项目 值
翅片厚度（mm） 0.2
管壁厚度（mm） 0.6
进水口和出水口直径（mm） 40
进气口和出气口直径（毫米） 84
多孔介质区长度（mm） 250
多孔介质区域宽（mm） 220
多孔介质区域高（mm） 320
鳍材料 铝
管的材料 铜
因此，除了使用真正的中冷器几何外用多孔介质模型替代波浪鳍片以降低计算质量。 本研究中使用的实际产品的几何参数和材料在中给出表格1。 分析流量可以使用CFD方法进行计算以预测流阻特性。 在这项研究中，流体域和固体域之间的传热被联合计算。
中间冷却器由气流通道和延伸部分组成的周期单元模型如图1所示图2 （一个） 。 分析流量特性可以使用CFD方法对多孔模型进行计算以预测流阻特性。 整个仿真模型包括多孔介质模型如图所示图2(b).
2.2.治理方程式
连续性，动量和能量的控制方程可以表示如下：连续性方程[13,14]:
动量方程：
能量方程：
图2.计算域的三维图。 （a） 定期单元模型，（b）全热交换器模型。
多孔介质模型的源项方程：
压降和入口速度的相关性：
其中p是从通道入口到出口的压降; v是入口速度。
多孔介质中的有效热导率是作为流体电导率和固体电导率的体积平均值来计算的：
其中gamma;是介质的孔隙率; kf是流体相导热系数; ks是固体介质导热系数。
总传热速率可以如下计算[15]:
其中Q是传热率，Tin和T出分别是进口和出口温度。 M是质量流量。
2.3.边界条件
用于求解上述控制方程的边界条件如下：
（1）.入口边界条件：增压空气从两个翅片之间的左表面进入。 假定增压空气具有均匀的质量流量和恒定的温度。 入口处的进风口温度为20°C。 Re的范围从1000到5000。
（2）.出口边界条件：出口设置为压力边界条件，这意味着指定了压力和回流。
对称边界条件：计算域模型的前后表面被视为对称的，而顶部 - 底部表面被视为非生物。
（3）.壁面边界条件：固体表面设置为防滑和耦合。 内部恒温（T = 21°C）
假设管壁。 翅片和管材料为铝，其密度为2700kg / m3，导热系数k = 220W /（mk），比热Cp为870j /（kgk）。 工作流体是水和充气空气，其热性质取决于温度。
假定空气具有均匀的质量流量和恒定的温度。 入口处的速度范围为6米/秒至20米/秒。 出口设置为压力边界条件，这意味着指定了压力和回流。 单位计算域模型的前后表面被视为对称，而顶部 - 底部表面被视为非生物。 流动压降和进口速度的相关性通过单位模拟得到。
图3.周期模型的仿真结果。
图4. Nu与Re的变化。
图3。 根据公式（5），获得了为使用多孔介质模型而提供的粘性阻力系数和惯性阻力系数的值。 最后，粘度系数和惯性系数值分别确定为8.5e-6和40。 同时，多孔区域的孔隙率定义为0.9。
3.结果与讨论
3.1.Re对Nu的影响
不同的边界条件对压降和传热性能有进一步的影响[16]。 对翅片间距和波纹角分别为1.5mm和10°的两排壳体进行计算。图4显示了Nusselt数和摩擦因数相对于雷诺数的特性。 在图4，横轴是Re，左纵轴是Nu。 可以看出，雷诺数在约1300-4800的范围内，对应于从5m / s到20m / s的入口速度。图4显示当雷诺数上升时，努塞尔数几乎线性增加。 Nu编号的最大模拟值和测试值分别为24.5和26.2。 同时给出了仿真结果与实验结果的对比。 可以看出，Nu的仿真结果与Dong的测试结果非常吻合[1]，最大偏差小于10％。 比较结果表明，计算模型准确，研究方法可行。
图5.温度轮廓分布（a）空气质量流量800 kg / h，（b）空气质量流量1050 kg / h
3.2.流场和热场
在目前的研究中，进行了数值模拟，以研究不同质量流量和温度下中间冷却器的流动和传热性能。 中间冷却器中的工作流体分别为空气和水。 冷水进口（B）边界条件设定为20℃和4.2m 3 / h。 流体域和固体域之间的传热被联合计算。 以一例（Q空气1050kg / h; T空气137℃）为例，中间冷却器内的压力和温度的分布特性如下获得。
图5显示中间冷却器内的热空气和冷水的温度分布。 高温空气通过管壁中的冷水冷却。 正如预期的那样，流入方向出现高入口温度以及高梯度，特别是在入口区域。 因此，高温区受到很大的热应力。 减少热应力将成为优化结构设计的重要目标。 沿着流动方向的空气温度逐渐降低，然而，从横截面（x = 200mm）沿着管的水温变得越来越高。 从横截面（z = 200mm）也可以看出，散热片被加热，并且在第一次进入通道后，只有非常薄的一层空气被冷却。 该模型中最大的温度变化发生在每个管子后面的低速区域。 此外，还发现高温区域出现在两个管道的中间，同时，由于高传热系数提高了传热，低温区域出现在翅片和管道附近。 固体物料的热分层是显着的，并且出口温度值是最低的。 在图5（b）中，空气侧出口的最低温度值为44℃，空气温度下降约90℃。 从进口到出口的水温差约为10°C。 作者发现，减少空气质量流量会导致温度梯度降低，但它们仍然发生在入口区域。 可以看出，相比之下，随着空气质量流量的增加，入口的空气温度值更低。 这是由于空气密度和速度较低导致管壁和增压空气之间的热交换效率较高。
图6表明压力沿着流动方向在空气侧具有梯度下降趋势，这与温度变化趋势非常相似。 此外，最高压力发生在入口的最后部分，距离横截面的水管（z 200 mm）很近。 这是因为风速非常快，惯性很大。 通过比较可以清楚地看出，入口质量流量越大，入口压力越高。 压力负载可能会导致压力，从而损坏翅片和管子的连接。 因此，在设计中应该更加注意可能影响开发新产品的焊料质量。 空气沿着y方向流动，并且沿着流动通道的压降分别大约600Pa和800Pa。 如截面（times;200mm）所示，冷流体侧的最大压力发生在入口处，沿着流动通道的压降几乎3.2千帕。
3.3.流量均匀性分析
众所周知，通过所有管道的质量流量分配越均匀，整个中冷器的传热能力就越高。 他们发现标题中的流量分布不均影响了交换机的性能。 因此，对入口流量均匀性的分析非常重要。图7描绘了所有这些管中质量流量的分布。 冷流体入口处共有63根扁管。 可以看出，质量流量分布几乎是对称的。 每个管中的质量流量范围分别为0.16 kg / s到0.23 kg / s。 标题中间的流量大于其他流量。 此外，所有管的最大流量出现在头部的底部。 平均值与模拟值之间的质量流量的最大偏差小于10％，超过85％的误差低于8％，这表明通过管道的流量分布几乎是均匀的。
图6.压力轮廓分布（a）空气质量流量800 kg / h，（b）空气质量流量1050 kg / h。
图7.每个管中的水质量流量分布。
3.4.冷却剂对传热性能的影响
为了研究水流方式对换热特性的影响，本文对整体换热模型的传热速率进行了分析。 空气流动方向从C到D.另外，水流入口分别是A和B. 在图8，横轴是水质量流量，左纵轴是传热率。 非常明显的是，随着水质量流量的增加，整体传热率以指数规律增加。 进口为B的传热速率可比进口为A增加近10％。结果表明，冷却剂流动方向对中间冷却器的热交换性能有显着影响。
4.实验验证
本研究中使用的测试设备如图所示图9。 它主要由位于恒温实验室的增压柴油机，中冷器，水循环和控制单元以及数据采集系统组成。 空气和水被用作工作流体。 质量流量和温度由水循环和控制单元调节。 水回路由水箱，电加热器（150 kW），水泵和温度控制器组成。 入口和出口处的水温通过铂电阻温度传感器（Pt-100）测量
图8.水流方向对传热率的影响。
图9.研究中间冷却器的测试设备。
精度在0.1％以内。 此外，空气温度由CYZ103高温压力传感器测量，精度在0.4％以内。 本文研究的传热性能主要影响因素包括冷却剂流量和冷却剂温度。 通过调节实验中的冷却剂流量和温度可以改变传热性能。 台架测试中，冷却液温度保持在30°C。 测量的空气温度和用于计算传热率的测量值均列入表2.
根据公式（7），计算热排出率的值，并将模拟值与实验数据进行比较图10。 结果是图10（a）表明，通过比较，最大偏差小于15％，所有测量值的平均偏差为6.5％。 可以清楚地看到，传热功率随着增压空气质量流量的增加而增加，但模拟值的增长率大于实验值。 比较结果表明，计算模型准确，研究方法可行。 因此，该模型可以用于进一步的分析，结果可以作为进一步优化设计的参考。
5.结论
在本研究中，基于多孔介质理论的计算模型被开发用于预测用于重型柴油机的中间冷却器的流场和温度场。 已经在不同的边界条件下对传热性能进行了详细的研究。 结论总结如下：
(1)在不同的空气质量流量下获取中间冷却器内的流场和温度场。 结果表明，空气质量流量对换热效率有重要影响。 通过模拟发现热应力最大的部分，随着风量的增加，应力增大。 仿真结果表明，多孔介质模型能够有效地研究中间冷却器中的流体流动和热交换。
(2)获得不同条件下质量流量对总换热性能影响的变化趋势。 两种热交换类型下的传热速率的差异几乎为10％。 而且，冷却剂流量的变化对传热率有轻微的影响，而冷却剂温度对其影响很大。 仿真结果表明冷却剂参数对整体传热的影响
表2
中冷器台架测试结果。
|
v（r / min） |
加速器（％） |
m（kg / h） |
Tin（℃） |
T出（℃） |
T（Nm） |
|
2300 |
100 |
848 |
172 |
46 |
700 |
|
2200 |
100 |
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