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对波纹翅片管中冷器仿真和实验研究
摘要
在本文的研究中，我们拟使用FLUENT软件，通过采用多孔介质的方法，在翅片管中对中冷器的流动和传热特性进行数值模拟，进而得到了相关的分布数据（包括温度、压力和不均匀等参数）。据此分析了空气流量对中冷器阻力特性和传热性能的影响。模拟结果表明，随着空气流量的增加，中冷器的内部压降和其换热能力也会相应增大。实验控制条件使得冷却液在封头内分布均匀，且最大误差在10%以内，以及还要注意到两种冷却剂的流动方案将会对传热有重要影响。这些结果还证实，当传热速率越高时，入口冷却液温度将越低。最后，比较实验的结果表明，基于多孔介质传热模型的数值计算结果与发动机台架试验数据有较好的吻合度。也就是说，本文的结论对中冷器结构的改进工作具有重要意义。
1引言
中冷器作为发动机的核心部件具有重要作用。举例说，它可以通过降低入口温度和增加空气的密度，来达到提高燃烧效率的要求。实验证明，安装中冷器除了能明显提高发动机功率，明显节省燃油，还可以减少排放，保护环境。因此，研究中冷器性能是非常有必要的。
目前，对于翅片管散热器的研究主要采用实验法。Dong研究了波纹翅片扁管中冷器的热工水力性能。Oliet 和Shon研究了翅片管式换热器的冷却参数。Wen和Jiao和Habib开展了对板翅式中冷器的流量分配问题的头配置结构的实验研究。近年来，随着模拟技术的不断发展，利用CFD方法处理流体流动和传热问题越来越受到人们的重视。研究者们对中冷器的换热特性进行了三维数值模拟研究。Wang和Chen成功地研究了在不使用多孔介质的情况下，基于CFD分析的全螺旋折流板换热器的流场和温度场。这是对管翅式换热器进行研究时所不能得到的实验结果。因此，A. A. Masri预测了全功率APU SOFC短堆的温度分布，这项研究实际上是使用了一个多孔介质的板翅式散热器。实验所得到的数据与模拟值吻合良好。
目前，翅片式中冷器主要采用平直翅片。然而，由于其优良的传热性能，波纹翅片的应用日益增多。因此，本文主要对波浪型翅片的性能进行了评价。本文对管翅式冷却器进行了实验研究，并对实验所得的数据进行了分析。以多孔介质模型为基础，利用FLUENT软件仿真分析并计算检验，了解不同边界条件下整个冷却系统的流动和传热特性。
图1.1 本论文使用的符号对照表
2全热交换器仿真模型
2.1物理模型- - - - - - - - - - - - - - - - - - - - -
波纹翅片管的原理如图1，研究显示，管翅式中冷器的波纹翅片具有复杂的几何形状，因此，存在着错列管排液通道区域，这可以保证是通过增加换热表面面积和提高非均匀流流量来提高传热系数。翅片和歧管在氮气气氛下通过钎焊工艺组装，保证完美密封。然而。由于翅片管之间的三维流动比较复杂，用软件模拟整个模型的真实流场是不可能的。因此，在实验中选取的中冷器用多孔介质模型来替代波纹翅片，以减少计算量。本研究所使用的实际产品的几何参数和材料见表1。要分析流动，可以用CFD方法计算预测流动阻力特性。在这项研究中，我们将要把流体域和固体域之间的热传递进行结合计算。
图1. 波纹翅片管中冷器的几何结构
建立如图2(a)所示的包含气流通道的中冷器的扩散周期单元模型。分析流动特性可以用CFD方法计算预测多孔介质模型的流动阻力特性。包括多孔介质模型在内的整个仿真模型如图2(b)所示。
Fig. 2.计算域的三维图 (a)周期单元模型 (b)全热交换模型
表一 中冷器的集合参数- - - - - - - - - - - - - - - - - - - - -
|
项目 |
值 |
|
翅片厚度 (mm) |
0.2 |
|
关闭厚度 (mm) |
0.6 |
|
进出水口直径 (mm) |
40 |
|
进排气口直径(mm) |
84 |
|
多孔介质区长度 (mm) |
250 |
|
多孔介质区宽度(mm) |
220 |
|
多孔介质区高度 (mm) |
320 |
|
翅片材料 |
铝 |
|
管道材料 |
铜 |
2.2控制方程:
系统的连续性、动量和能量的控制方程可以表示如下:
连续性方程
（1）
动量方程
（2）
能量方程:
（3）
多孔介质模型的源项方程:
（4）
Delta;p = av2 bv （5）
式中：Delta;P是从通道入口到出口的压力降；V是入口速度
多孔介质中的有效导热系数为流体电导率和固体电导率的体积平均值:
keff = gamma;kf (1 minus; gamma;)ks （6）
其中：gamma;是介质的孔隙率；kf是流体相的热导率； ks 是固体介质的热导率。
总传热率可以计算如下:
Q = Cpsdot;Msdot;(Tout minus; Tin ) （7）
式中：Q为传热速率，Tin和Tout 分别为入口和出口温度。m为质量流率- - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - -
2.3边界条件 - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - -
求解上述控制方程的边界条件如下:
（1）进口边界条件：压缩的空气从两个翅片之间的左表面进入。假定电荷空气具有均匀的质量流量和恒定的温度。入口温度为20°C，Re数的范围为1000～5000。
（2）出口边界条件：出口设置为压力边界条件，即压力和回流均为定值。
（3）对称边界条件：计算域模型的前后表面作对称处理，上下表面作周期处理。
（4）壁面边界条件：固体表面防滑耦合。假定管壁内有恒定的温度（T=21℃）。翅片管的材料是铝合金，密度=2700kg/msup3;，导热系数K=220W/(m·K)，比热Cp =870j/（kg·K）。工作流体是水和增压空气，它们的热力学性质取决于温度。
假设空气具有均匀的质量流量和恒定的温度。入口的空气流速范围从6m/s到20m/s。出口设置为压力边界条件，这意味着压力和回流取为定值。将计算域模型的前后表面作对称处理，将上下表面作周期处理。通过单元模拟，我们可以得到流动压降和入口速度的关联式。
图3. 周期模型的仿真结果
图3根据公式(5)，得到了多孔介质模型中粘性阻力系数和惯性阻力系数的取值。最后，试验中的粘度系数和惯性系数的值分别确定为8.5e-6和40。同时，多孔区域的孔隙率取为0.9。
3.结果与讨论
3.1 Re 对 Nu的影响
此外，不同的边界条件对压降和传热性能还有进一步的影响。计算得出，两排的中冷器的翅片间距为1.5mm，波纹倾角为10°。图4显示了努塞尔数和摩擦系数相对于雷诺兹数的特性。在图4中，横轴是Re，左边纵轴是Nu。可以看出，表中雷诺兹数的范围从1300 - 4800，即对应于从5m/s到20m/s的入口速度。
图4显示，当雷诺兹数提高时，努塞尔数几乎是线性增加的。且Nu数的最大仿真与试验值分别为24.5和26.2。同时，我们能对仿真结果与实验结果进行比较，比较结果显示，此次仿真的结果与Dong的试验结果吻合较好，最大偏差小于10%。对比结果表明，计算模型准确，研究方法可行。
图4. Nu-Re.变化关系
3.2流场和温度场
在本研究中，我们对不同质量流量以及不同温度下的流动和传热性能的中冷器进行了数值仿真研究。中冷器的工作流体分别是增压空气和水。冷水进水口（B）设置为20℃和4.2msup3;/h。结合了计算流体域和固体域之间的热传递。举一个例子（Qai=1050 kg/h;Tair=137℃）中冷器的压力和温度的分布特征如下：
图5. 等温线分布 (a) 空气质量流量800 kg/h, (b) 空气质量流量 1050 kg/h.
图5显示了中冷器内热空气和冷水的温度分布情况。高温空气通过管子壁，由管壁上的冷水冷却。正如预期的那样，高入口温度以及高梯度出现在流动方向，特别是在入口区域。因此，高温区承受较大的热应力。降低热应力是优化结构设计的一个重要目标。空气温度沿水流方向逐渐降低，但是水的温度沿管截面越来越高（此时X=200mm）。也可以从横截面观察（此时Z=200mm），翅片被空气加热，进入第一通道后，只有很薄的空气层被冷却了。在这个模型中，最大的温度变化发生在每个管道之后的低速区。此外，我们还发现高温区出现在两个管的中间，同时由于传热系数高，翅片管附近出现了低温区，从而增强了传热。固体材料的热分层显著，出口温度值最低。图5（b）显示，空气侧出口最低温度为44°C，气温下降约90°C。从入口到出口的水的总温度差约为10°C。研究发现，降低空气质量流量会导致温度梯度降低，但它们仍然出现在入口区。通过比较可以看出，入口空气温度值随着空气质量流量的增加而降低。这是因为空气密度和流速较低时，管壁和充气空气之间的热交换效率更高。
图6. 等压线分布 (a) 空气质量流量800kg/h, (b) 空气质量流量1050kg/h.
图6显示，在空气侧沿流动方向的压力具有梯度的下降趋势，与温度变化趋势非常相似。同时，最高压力出现在入口的最后一部分，靠近水管的截面上部分（此时Z=200mm）。这是因为空气速度非常快，而且惯性很大。通过比较可以清楚地看出，入口质量流率越大，入口压力越大。压力载荷会引起应力，从而损坏翅片管的连接。因此，在开发新产品时，应注意影响焊锡质量的设计。空气沿y方向流动，沿流道的压降分别为几乎600 Pa和800 Pa。如图所示，从横截面（此时X=200mm）看，冷流体侧的最大压力发生在沿流道的压降入口处，约有3.2 kPa.- - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - -
3.3 流量均匀性分析
众所周知，各种管道内通过的流量分布越均匀，整个中冷器的换热能力越高。研究发现，当集管的流量分布不均时，换热器的性能将会受到影响。因此，对进气流量进行均匀性的分析是非常重要的。
图7 各管内的水质量流量分布.
图7定量描述了所有这些管中的质量流率的分布（注：在冷液侧入口共有63根扁管）。可以看出，质量流率几乎是对称分布的。每个管的质量流量的范围介于0.16kg/ s到0.23kg/s之间。并且集管中间部分的流量大于其他位置的流量。此外，所有管的最大流速都出现在集管的底部。平均流速与模拟值之间的最大偏差小于10%，85%以上的实验值误差小于8%，表明管道内的流量分布几乎均匀。
3.4 冷却液对传热性能的影响- - - - - - - - - - -
为了研究流动方式对换热特性的影响，我们研究分析了整体传热模型的换热率。在本次实验中，令空气流动方向从C到D，水流入口分别取为A和B。在图8中，水平轴是水的质量流率，左边垂直轴是传热速率。很明显，随着水流量的增加，总传热速率呈指数规律增加。B入口的换热率比进口A的换热率
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