平行流冷凝器空氣側換熱性能和壓降的CFD仿真及試驗研究.pdf

1、平行流冷凝器已廣泛應用于轎車、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換熱系數(shù),降低空氣側壓降就成為近年來強化換熱領域的研究熱點之一。國內外科學工作者在熱交換器空氣側結構參數(shù)對其空氣側性能的影響規(guī)律和強化換熱機理方面進行了深入、系統(tǒng)的研究,同時也存在著較為明顯的局限性,主要體現(xiàn)在:①由于研究對象的空氣側結構參數(shù)差異較大,使得

2、不同研究者對同一問題進行研究后可能得到不同的結論;而且絕大多數(shù)研究對象的冷凝器厚度大于16mm,如果將其研究結果直接用于工程設計,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過多地關注于性能強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,而事實上,特殊性才往往能夠為工程設計帶來創(chuàng)新和質的飛躍。為有效地解決這兩個問題,本文采用試驗和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

3、結構參數(shù)對空氣側換熱系數(shù)和壓降的影響規(guī)律及其內在機理。主要研究成果如下:①建立了能夠真實反映空氣流動和換熱特性的三維CFD仿真模型,與試驗結果相比,通過CFD仿真計算得到的空氣側換熱系數(shù)和壓降的平均誤差不超過±5.28％。②通過試驗和CFD仿真分析發(fā)現(xiàn),在相同迎面風速ufr下,降低扁管厚度可提高平行流冷凝器空氣側的綜合性能。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重要方向。③通過CFD仿真分析發(fā)現(xiàn),在相同雷諾數(shù)Re LP下,百

4、葉窗轉向區(qū)長度的改變對平行流冷凝器空氣側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;當冷凝器厚度降低時,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重要方向,在此基礎之上,合理地選擇百葉窗間距有助于獲得最佳的空氣側綜合性能。④通過CFD仿真分析,發(fā)現(xiàn)了“強制有序流動”現(xiàn)象,它對平行流冷凝器空氣側換熱系數(shù)和壓降的影響強弱只與百葉窗的結構參數(shù)有關,特別是受百葉窗角度

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

6、了沖擊角的計算方法,并將其作為獨立變量應用到關聯(lián)式的構筑當中。③在構筑關聯(lián)式的過程中采用了CFD分析數(shù)據(jù),這在以往類似關聯(lián)式的推導過程中是沒有的。但它比Webb關聯(lián)式、Chang關聯(lián)式和Kim關聯(lián)式具有更高的預測精度和更低的誤差這一事實說明:采用CFD分析數(shù)據(jù)來構筑關聯(lián)式是充分可行的,這為以后關聯(lián)式的研究指出了一個重要發(fā)展方向。本文的研究成果可完全應用于工程實際,這對于提高我國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)