橋式翅片流動和傳熱性能實驗研究和數值模擬

　　摘要：對設計的橋式翅片換熱器空氣側的傳熱和阻力性能進行了實驗研究，將大量的實驗數據進行了線性回歸，得出了在實驗雷諾數范圍內傳熱和阻力性能關聯式及特性曲線.對比可知，在相同泵功情況下橋式翅片換熱器比相同尺寸的平直翅片換熱器具有更高的傳熱性能.同時，對以上兩種翅片空氣側的溫度場和速度場進行了數值模擬，并利用場協同原理對模擬結果進行了分析.分析結果表明，橋式翅片換熱器具有更高傳熱性能的根本原因在于翅片的橋式布置能有效地改善翅片溫度場和速度場的協同性.

　　關鍵詞：橋式翅片；換熱器；實驗研究；數值模擬；場協同

　　中圖分類號：TM925.12 文獻標識碼：A

　　多年來，人們對散熱器翅片強化傳熱開展了大量研究，并提出了很多有效的強化傳熱的方法，其中將翅片開縫就是其中一種[1].這是因為在翅片上開縫可以破壞邊界層的生長，從而抑制傳熱系數沿流動方向上的降低.同時將翅片的開縫位置加工成拱橋狀，形成所謂的橋式開縫翅片，其在不減少換熱面積的情況下進一步增大氣流的擾動，這樣有可能會進一步提高開縫翅片空氣側的傳熱性能，但同時也會帶來負面效應，比如增大空氣阻力，增加功率消耗等.

　　目前對于開縫翅片的傳熱及阻力特性的研究比較多[2-5].李惠珍等[6]對2排X型雙向開縫翅片進行了實驗研究和模擬計算，并將實驗結果與同尺寸的單向開縫翅片和平直翅片進行了比較，研究結果表明開縫翅片的傳熱性能遠高于平直翅片，且X型的雙向開縫翅片的性能要好于單向開縫翅片.Yun J Y等[7]的研究顯示翅片節距、開縫翅片的縫寬、縫長、縫高、開縫數及縫的分布等都不同程度地影響其流動和傳熱性能.屈治國等[8]在對平直開縫翅片的傳熱特性進行了數值模擬的基礎上，進一步應用場協同理論對計算結果進行了分析，計算結果顯示在速度場和溫度場協同比較差的區域開縫要比在場協同比較好的區域開縫對傳熱強化更有效.綜合上面分析發現，對開縫翅片的已有研究主要集中在純開縫形式的翅片上，而對于橋式開縫翅片的流動及傳熱特性的研究還有待進一步的開展.

　　本文采用實驗研究和數值模擬的方法，對橋式翅片換熱器和同尺寸的平直翅片換熱器進行了研究，并利用場協同理論對計算結果進行分析，為橋式翅片換熱器進一步的優化設計提供了依據.

　　1實驗裝置及元件參數

　　實驗測試是在標準的風洞實驗臺上進行的，測試采用熱平衡法.實驗臺由風洞、整流柵、恒溫水箱、電加熱器、循環水泵、水流量測量、水溫控制、壓差測量、閥門、換熱器、溫度傳感器、空氣流量測量、空氣阻力測量、風量調節裝置、風機、變頻器等組成.實驗臺工作原理如圖1所示.

　　實驗過程中，通過控制恒溫水浴出口閥門的開度來控制流經換熱器的水量，翅片側空氣的流量則通過改變風機的轉速（2 000～5 200 r/min ，每隔400 r/min 取一個轉速）來加以控制，因此測試共有9個工況點.為提高測量的準確性，每次測量均在工況穩定40 min后進行，各工況的熱平衡偏差控制在5% 以內.如圖1所示，各點的溫度依據空氣及熱水位置的不同，分別采用水銀溫度計和熱阻式溫度傳感器兩種方式進行測量.在空氣側，空氣的流量采用畢托管配傾斜式微壓計進行測量計算，同時，在換熱器前后的風管上設置靜壓測嘴測量空氣通過換熱器的流通壓降.在水側，通過恒溫水浴加熱使換熱器的入口水溫穩定在60 ℃，同時在換熱器進出口處設置壓力表對熱水通過換熱器的前后的壓降進行測量.為保證測量的準確性，水流量的測量采用稱重法.

　　2實驗誤差分析及數據整理

　　實驗測試前為驗證實驗臺的準確性，用光管進行了阻力和傳熱特性實驗，所得的實驗結果與經典的光管布勞修斯公式f=0.316 4Re -0.25及公認的SiederTate 公式計算式Nu=0.027Re 0.8Pr 1/3（μ/μw）0.14的計算結果進行了對比，試驗結果*大偏差均控制在±6%以內，表明本實驗臺具有足夠的**度.

　　實驗時管外翅片側為空氣強制對流換熱，管內側為熱水與管內壁的強制對流換熱，再加上管自身的導熱，因此翅片管的熱阻共有3部分組成.應用熱阻分離法[9]，空氣側的對流換熱系數表達式如下：

　　3實驗結果

　　利用*小二乘法對實驗數據進行擬合整理，得出橋式翅片管的傳熱和阻力特性實驗關聯式如下：

　　傳熱系數關聯式為：Nu=6.173Re 0.324 4， 適用范圍為1.59×102< Re<8.2×102 ，*大擬合偏差±1.94%.

　　氣側阻力系數關聯式為：f=0.289 5Re 0.192 5，適用范圍為1.59×102< Re<8.2×102 ，*大擬合偏差 ±3.51%.

　　平直翅片管和橋式翅片管的傳熱和阻力特性試驗曲線如圖3所示.從圖中可知，隨著Re增大，翅片空氣側的對流換熱系