劉妮,賀劍鋒,崔強,等.電動汽車空調(diào)室外換熱器空氣側流動換熱模擬研究[J].低溫物理學報,2022,44(02):124-130.

摘要

采用數(shù)值模擬方法對室外微通道換熱器翅片側空氣流動換熱性能進行仿真計算，探討了在制冷工況下，不同百葉窗結構對微通道換熱器空氣側傳熱及流動特性的影響。結果表明ｊ 因子的模擬結果與實驗關聯(lián)式之間的平均偏差在７．８％以內(nèi)，ｆ 因子的平均誤差在７．３５％以內(nèi)，符合工程應用要求．雷諾數(shù)較低時，傳熱因子ｊ 和阻力因子ｆ 都隨Ｆｐ的增大而減小，雷諾數(shù)較高時，Ｆｐ對兩者的影響不明顯；隨著開窗角度增加換熱器換熱系數(shù)會呈現(xiàn)先增加后減小的趨勢，同時壓降會隨開窗角度的增大而有所升高。

１ 引言

近年來，電動汽車由于不需要排放二氧化碳，不依賴化石燃料，逐漸成為汽車行業(yè)未來的發(fā)展方向。電動汽車在冬季制熱時多采用 ＰＴＣ電加熱器，嚴重影響汽車的續(xù)航里程。在低溫－１０ ℃時，采用 ＰＴＣ電加熱器采暖能 使 電 動 汽 車 的 續(xù) 航 里 程 下 降５０％以上，而利用熱泵空調(diào)系統(tǒng)采暖可以使續(xù)航里程提升３５％以上［１］，因此車用熱泵空調(diào)系統(tǒng)便應運而生。而車外換熱器作為熱泵空調(diào)系統(tǒng)的重要部分，不同于傳統(tǒng)汽車空調(diào)室外換熱器只做冷凝器，在熱泵系統(tǒng)中，室外換熱器兼顧冷凝器與蒸發(fā)器兩種功能，因此提高室外微通道換熱器性能的研究具有實際意義。

目前對于室外換熱器研究主要集中在換熱器的結霜特性［２～５］與百葉窗結構對室外換熱器傳熱與流動特性的影響上。谷波等［６］研究了百葉窗結構變 化對微通道換熱器傳熱和流動性能的影響，發(fā)現(xiàn)采用較大的百葉窗 間 距 和 翅 片 間 距 會 使 傳 熱 性 能 下 降．趙松田［７］分析了換熱器進口空氣濕度、風速和布置傾角對整體性能的影響，實驗表明，迎面風速對換熱器空氣側壓降影響很大。張克鵬［８］研究發(fā)現(xiàn)翅片 開窗角度為４５°且開窗數(shù)為１４個時，微通道換熱器空氣側換熱量最大，壓降相對較小。劉欣欣等［９］提出一種新型變截面百葉窗翅片，與傳統(tǒng)的矩形翅片相比，綜合性能因子ＪＦ 提高了７．６５％．楊鳳葉等［１０］提出一種換熱性能更佳的雙梯形百葉窗結構，得出當雙梯形百葉窗間距ＬＰ ＝１．３ｍｍ、翅 片 間 距 ＦＰ ＝１．４ｍｍ 時，綜合性能最佳。徐博 等［１１］采 用ε－ＮＴＵ 法 建立了微通道換熱器數(shù)值模型，計算翅片參數(shù)對傳熱性能的影響，結果表明換熱系數(shù)與翅片間距呈負相關，與開窗角度呈正相關．ＡｒｓｌａｎＳａｌｅｅｍ 等［１２］研 究了不同翅片結構微通道換熱器的空氣側熱工性能研究，結果表明百 葉 窗 間 距 為１．０ ｍｍ 的 翅 片 在 換 熱和壓降特性方面具有最佳效果。張劍飛等［１３］研究發(fā)現(xiàn)微通道換熱器空氣阻力與換熱量和迎風面積相同的平翅片圓管換熱器空氣阻力相當，認為獨特的扁管結構和較小的換熱器厚度是其減小空氣阻力的有效手段。薛慶峰等［１４］研究了流道布局對微通道平行流車外換熱器換熱和壓降性能的影響，結果表明，制冷工況下車外換熱器采用１∶３的流道布局時，換熱量優(yōu)于其他 兩 種 布 局，但 其 壓 降 更 大．丁 鎏 俊 等［１５］研究了流程數(shù)、各流程扁管布置方式、扁管寬度和內(nèi)孔高對室外換熱器換熱及壓降的影響，在傳熱和壓降的限制下應采用低流程數(shù)，適當增加扁管寬度和孔高。ＪｕｎＹｕ等［１６］采用實驗和數(shù)值模擬相結合的方法對換熱器外平行流動微通道進行了研究，實驗結果表明，隨著進氣壓力和進氣流量的增加，傳熱速率增加。Ａｍｉｒｎｏｒｄｉｎ等［１７］模 擬 分 析，得出增加翅片間距時，傳熱系數(shù)增加的同時壓降減?。欢黾影偃~窗間距時，傳熱系數(shù)和壓降均減小。Ｋｉｍ 和 Ｂｕｌｌａｒｄ［１８］對比了開窗角度、翅間距對空氣側換熱的影響，發(fā)現(xiàn)當開窗角大于 ２３°時增大翅間距換熱系數(shù)會增大，且翅片間距對換熱的影響會伴隨雷諾數(shù)的差異而減弱。目前對于百葉窗結構對微通道換熱器傳熱和流動性能的影響已有一定的研究，但依然不夠完善。

為了提升室外換熱器的流動換熱性能，本文建立了百葉窗翅片換熱器三維模型，采用數(shù)值模擬研究了翅片間距和開窗角度對空氣側傳熱和流動特性的影響，得到了兩者對傳熱流動的影響規(guī)律，并選取最佳間距和開窗角度。

２ 數(shù)值模擬方法

２．１ 物理模型

微通道換熱器翅片由鋁制成，根據(jù)翅片幾何結構，將所研究翅片外側空氣域進行建模．將翅片邊緣處溫度視為與扁管外壁面相同溫度。如圖１，設置計算域上下兩表面為周期面，水平方向兩表面為對稱面，高度為一個管間距；左側為空氣速度進口，為保證來流均勻，將計算區(qū)域向上游延伸２倍翅片間距；右側為空氣壓 力 出 口，相 對 壓 力 為０Ｐａ，將 計 算 區(qū)域向下游延伸以防出口區(qū)域回流產(chǎn)生［１９］；翅 片 表面溫度分布由翅片內(nèi)部熱傳導與空氣對流換熱耦合求解．將室外換熱器翅片結構尺寸，列于表 １ 中。

２．２ 網(wǎng)格劃分及獨立性驗證

計算域網(wǎng)格由ＩＣＥＭ 生成，由于百葉窗翅片結構較為復雜，整體劃分精度較低，所以對計算區(qū)域進行分塊處理。計算區(qū)域網(wǎng)格劃分如圖２～３，固體域翅片及倒流邊界部分采用結構網(wǎng)格，對流體域中與翅片接觸部分采用四面體非結構網(wǎng)格，其它區(qū)域應用六面體非結構網(wǎng)格，最后對接觸區(qū)域流固耦合處理。由于翅片表面附近流體溫度速度變化比較劇烈，因此對翅片接觸 面 進 行 邊 界 層 處 理．邊 界 層 網(wǎng) 格 分 三層，設置增長率為１．２，最大厚度０．０５ｍｍ，進口區(qū)域網(wǎng)格尺寸設置為１ｍｍ，出口區(qū)域網(wǎng)格尺寸為２ｍｍ，翅片與空氣接觸區(qū)域最大網(wǎng)格尺寸為０．１ｍｍ。

在進行數(shù)值模擬之前，需對網(wǎng)格進行獨立性分析，確定模擬結果與網(wǎng)格數(shù)量無關．網(wǎng)格獨立性分析方法為比較 相 同 模 型 在 不 同 網(wǎng) 格 數(shù) 量 下 所 求 得 的Ｃｏｌｂｕｒｎｊ因子與阻力因子ｆ 的相對差值．本文對三套不同數(shù)量網(wǎng) 格（１１０萬、２３０萬、５６０萬）進 行 獨 立性分析，計算結果如圖４所示。

網(wǎng)格數(shù)量１１０萬與２３０萬之間 Ｃｏｌｂｕｒｎｊ 因子的最大偏差為４．８６％，平均偏差為３．９５％；阻力因子ｆ 最大偏差為１２．２３％，平均偏差為１０．９９％．網(wǎng)格數(shù)量２３０萬與５６０萬模型之間 Ｃｏｌｂｕｒｎｊ 因子的最大偏差１．５６％，平均偏差為０．９１％；阻 力 因 子ｆ 最 大偏差為１．２３％，平 均 偏 差 為 ０．８％．２３０萬 網(wǎng) 格 數(shù) 值結果可認為獨立，本文對空氣側流動傳熱模擬采用網(wǎng)格數(shù)為２３０萬。

２．３ 模型可靠性驗證

對比本文 模 擬 結 果 與 采 用 Ｃｈａｎｇ ＆ Ｗａｎｇ［２０］實驗關聯(lián)式計算結果，得出圖５，由圖可知，５０≤Ｒｅ≤９５０范圍 內(nèi)，數(shù) 值 模 擬 結 果 得 出 的 Ｃｏｌｂｕｒｎｊ 因子 與 Ｃｈａｎｇ ＆ Ｗａｎｇ 實 驗 關 聯(lián) 式 最 大 偏 差 為 ９．１％，平均偏差為 ７．８％；阻力因子ｆ 數(shù)值與實驗關聯(lián)式最大偏差為１１．５２，％，平均偏差為７．３５％．數(shù)值計算結果與實驗關聯(lián)式計算結果之間的偏差符合一般工程應用要求，且變化規(guī)律相同，因而本文使用模型的正確性得到驗證。

３ 結果及分析

通 過 以 下 幾 個 參 數(shù) 對 空 氣 側 流 動 傳 熱 進 行 研究：空氣側 換 熱 系 數(shù) ｈ、壓 降 ΔＰ、Ｃｏｌｂｕｒｎｊ 因 子、阻力因子 ｆ 以及綜合能效因子ＪＦ［２１］，其中 ＪＦ 是一個無量綱數(shù)，用以衡量相同輸入功率下所能達到的換熱性能，可用來評價空氣側流動換熱的綜合性能，其參數(shù)定義如下：

３．１ 翅片間距對流動傳熱的影響

對翅片深度１６ｍｍ，翅片高度５ｍｍ，開窗角度２７°，翅片間距１．０ｍｍ，１．４ｍｍ，１．８ｍｍ 進 行 數(shù) 值計算，分析翅片間距對微通道室外換熱器空氣側傳熱和流動的影響?？諝鈧葥Q熱系數(shù)隨進風風速Ｖｉｎ變化規(guī)律如圖６所示，進風風速Ｖｉｎ一定時，空氣側換熱系數(shù)隨翅片間距的減小而相應增大；翅片間距一定時，空氣側換熱系數(shù)隨進風風速的增大而增加。

隨著進風風速 的 增 大，翅 片 間 距１．４ ｍｍ 與 翅片間距１．０ｍｍ 對應的換熱系數(shù)之間的差值逐漸減小，結合圖７不同翅片間距下溫度云圖可以看出，百葉窗翅片在進風風速４ｍ／ｓ時，翅片間距的增大導致整個空氣域的溫度有所下降，并且在中心過渡區(qū)和出口段溫度變化較為明顯，其原因是百葉窗翅片間距較小時，空氣主要從百葉窗通道流過，流動過程中流道長度增加，空氣與翅片換熱更加充分，換熱效率高，因而中心平面與出口處溫度較高。當翅片間距較大時，空氣與百葉窗的擾動減弱，百葉窗通道流作用性減弱，管導向流的作用性增強，更多的空氣流經(jīng)管導流通道，因此換熱效果減弱．由于百葉窗翅片與空氣擾動減弱，所以Ｆｐ增大后流動阻力也應呈現(xiàn)下降趨勢，從圖８也可佐證這一觀點．另外從圖８還可以看 出，隨 著 翅 片 間 距 的 增 加，空氣側壓降逐漸減小。

如圖９ 所示，雷諾數(shù)較低 時 Ｃｏｌｂｕｒｎｊ 因 子 隨Ｆｐ的增大而減小，然而這種趨勢隨著雷諾數(shù)的增加而 減 弱，并 且 高 雷 諾 數(shù) 下 Ｆｐ ＝１．０ ｍｍ 時 的Ｃｏｌｂｕｒｎｊ 因子基本與另兩組重合。這表明在低雷諾數(shù)下，較小的翅片間距更有助于強化空氣與百葉窗間的換熱，而當雷諾數(shù)增大后這種促進效果有所降低，此時應從其他指標因素去衡量．在空氣側阻力方面，從圖９中的 阻 力 因 子ｆ 曲 線 可 以 看 出，增 大 翅片間距有助于降低空氣側的流動阻力，但當雷諾數(shù)升高后，想要降低流動阻力，單單提升 Ｆｐ效果并不明顯。

不同翅片間距下ＪＦ 因子變化如圖１０ 所示，在Ｒｅ＜３００時增大Ｆｐ會導致ＪＦ 因子小幅下降；當Ｒｅ＞３００ 時ＪＦ 因子隨Ｆｐ的增大而升高。鄧敏鋒［２２］通過數(shù)值模擬，在不同迎面風速下研究得出空氣側的換熱系數(shù)和壓降均與翅片間距呈負相關。董軍啟［２３］給出了不同翅片間距 ＦＰ 時，ｊ 因 子 和ｆ 因 子 隨Ｒｅ的變化曲線，發(fā)現(xiàn)隨著翅片間距 ＦＰ 的增加 ，傳熱ｊ因子和摩擦ｆ 因子而降低，兩者與本文研究發(fā)現(xiàn)相契合．綜合 ＪＦ 因子與上述各參量變化趨勢后，本文室外換熱器翅片參數(shù)中的翅片間距?。保矗恚砀鼮檫m合。

３．２ 翅片開窗角度對流動傳熱的影響

百葉窗翅片通過對空氣的擾動形成邊界層，來引導空氣流向，開窗角度θ 作為百葉窗翅片關鍵結構參數(shù)，對空氣側流動換熱有著重要影響。對翅片寬度１６ｍｍ，翅片間距１．４ｍｍ 的百葉窗翅片，空氣進風風速Ｖｉｎ＝１．０～６．０ｍ／ｓ，開窗角度２３°、２７°、３０°進行數(shù)值計算，分析了翅片開窗角度對微通道室外換熱器傳熱和流動 的 影 響．不 同 開 窗 角 度θ 下 空 氣 側的換熱系數(shù)和壓降的變化趨勢如圖 １１所 示，當 開窗角度一定時，換熱系數(shù)與壓降均隨進風風速的增大而升高．對比相同進風風速下不同開窗角度曲線，發(fā)現(xiàn)增加開窗角度后換熱系數(shù)ｈ 會 呈 現(xiàn) 先 增 加 后減小的趨勢，可以判斷出存在一個最佳開窗角度值，在該值下百葉窗翅片空氣側換熱最優(yōu)。

該現(xiàn)象符合 Ｋａｊｉｎｏ［２４］提出的邊界層沖擊理論，該理論表示百葉窗類翅片強化換熱機理在于每一個百葉窗翅片前端形成的薄邊界層，而這類邊界層通常在氣流的影響下是不平衡的，具體表現(xiàn)在百葉窗上下表面的換熱能力上，百葉窗總換熱能力是上下表面換熱能力之和，在某個環(huán)境條件下存在閾值。結合圖１２溫度場進行分析，發(fā)現(xiàn)開窗角度θ的升高整個空氣域溫度略微下降．設定來流方向為正方向，在進口迎風面位置（圖示 Ａ 區(qū)域），隨著開窗角度θ 的升高，百葉窗正面溫度有所下降，百葉窗背面溫度呈現(xiàn)上升趨勢，這是由于翅片角度增大后，空氣中百葉窗導向流所占比例隨之增大，隨后達到臨界值，到達臨界值之后，空氣側流動方式管導向流所占比例增加，增強了百葉窗翅片背面換熱，因而導致了百葉窗翅片正背面溫度差異。

由圖１１與圖１３ 可 以 看 出，空 氣 側 壓 降 Δｐ 會隨開窗角度θ的增大而有所升高．開窗角度θ 由２３°增大到２７°時，空 氣 側 壓 降 變 化 相 較 于２７°到３０°比較明顯，這 主 要 是 由 于２７°開 窗 角 更 接 近 百 葉 窗 導向流與管導向流的臨界平衡值，壓降變化比較明顯．在開窗角度達 到 ３０°后，空 氣 的 流 動 方 式 主 要 為 管導向流，θ對 Δｐ 的影響有所下降．如圖 １３ 所示，在較低雷諾數(shù)時，隨著開窗角度的增加，Ｃｏｌｂｕｒｎｊ 因子變化不是很明顯，在較高雷諾數(shù)時，隨著開窗角度的增加，Ｃｏｌｂｕｒｎｊ 因 子 有 明 顯 的 上 升，并 且２３°到２７°的增幅明顯高于２７°到３０°范圍，這與開窗角度對換熱系數(shù)影響趨勢相同。由 圖１２與 圖 １３分 析 開 窗角對空氣側流動的影響，可以看出開窗角度的增加，阻力因子ｆ 呈現(xiàn)上升趨勢，即增加開窗角度不利于空氣側的流動 換 熱，隨 后 根 據(jù) Ｃｏｌｂｕｒｎｊ 因 子 和 阻力因子ｆ 數(shù)值計算出ＪＦ 因子，結果如圖１４所示。

從圖１４可以看出，隨著雷諾數(shù)的增加，綜合評價ＪＦ 因子呈現(xiàn)下降趨勢；對于相同雷諾數(shù)情況，開窗角度θ為２３°與２７°時的綜合評價因子高于３０°．然而對于較小開窗角下 的ＪＦ 因 子 評 價，則 要 根 據(jù) 具體雷諾數(shù)進行討論，當Ｒｅ＜３００時，ＪＦ 因子隨著開窗角度的升高有所下降，說明增大開窗角度對不利于百葉窗翅片空氣側綜合性能的提高，即車輛日常車速較低，室外換熱器迎面風速較低時，百葉窗翅片開窗建議選取較低開窗角度．當 Ｒｅ＞３００ 時，θ＝２７°較優(yōu)，并且３０°下ＪＦ 因子降幅減緩，說明較高雷諾數(shù)時，增大開窗角度有利于提升空氣側流動換熱的綜合性能，較大的翅片開窗角更適合迎面風速更大的情形。

４ 結　論

（１）當進風風速一定時，空氣側換熱系數(shù)與隨翅片間距的減小而相應增加；翅片間距一定時，空氣側換熱系數(shù)隨進 風 風 速 的 增 大 而 增 加．隨 著 進 風 風 速的增大，翅片間距１．４ｍｍ 與翅片間距１．０ｍｍ 對應的換熱系數(shù)之間的差值逐漸減小。

（２）在Ｒｅ＜３００時增大Ｆｐ會導致ＪＦ 因子小幅下降；當Ｒｅ＞３００時ＪＦ 因子隨Ｆｐ的增大而升高，進風風速越高時，增大翅片間距對綜合性能更有利，因此百葉窗翅片間距取１．４ｍｍ。

（３）當Ｒｅ＜３００時，ＪＦ 因子隨著開窗角度的升高有所下降，說明增大開窗角度對不利于百葉窗翅片空氣側綜合 性 能 的 提 高；當 Ｒｅ＞３００ 時，θ＝２７°較優(yōu)，并且３０°下ＪＦ 因子降幅減緩，說明較高雷諾數(shù)時，增大開窗角度有利于提升空氣側流動換熱的綜合性能，因此翅片開窗角度?。玻贰愀鼉?yōu)。