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來源：http://articles.e-works.net.cn/pdm/
　　早在20世紀80年代，微通道換熱器開始應用到電子器件的冷卻問題上，表現(xiàn)出體積小，結構緊湊，傳熱系數(shù)高等優(yōu)點；為解決汽車空調體積大、易損壞等缺點，美國Modine公司借鑒電子產品領域的微通道換熱器設計了平行流換熱器。后來日本昭和鋁等公司在兩端集管中增加隔板形成不同回路而稱之為多元平行流冷凝器。目前，全鋁的微通道換熱器已廣泛應用于汽車空調行業(yè)，隨著加工工藝、技術和新型鋁材的開發(fā)，正逐步應用于家用和商用制冷空調領域。
　　
　　**的換熱性能，較低的制造成本和簡易的制造工藝一直都是換熱器的目標，目前常規(guī)的全鋁微通道換熱器結構如下：
　　
　　微通道換熱器結構圖與實物 放大圖片
　　
　　圖1 微通道換熱器結構圖與實物
　　
　　分配管（集流管）， 扁管（平行流管），翅片為微通道換熱器主要構成部分。其換熱比較復雜，包括制冷劑與扁管之間的對流換熱，扁管與翅片之間的熱傳導，翅片與空氣的對流換熱。制冷劑的相變，更是增加的其換熱研究的難度，目前對微通道換熱器的研究設計以實驗驗證為主，而基于CFD的仿真研究比較少。國外方面，Man-Hoe Kim和Clark W. Bullard基于45種微通道換熱器的實驗測試結果，分析了翅片間距，開窗角度，翅片長度等等對其換熱和壓降的影響，并回歸推導摩擦因子和換熱因子與翅片幾何參數(shù)的關系。Chi-Chuan Wang等對74傳統(tǒng)的圓管翅片式換熱器進行了換熱測試，回歸了其翅片和圓管幾何參數(shù)與摩擦因子和換熱因子的的關系。其換熱因子關系式能擬合88.6%的實驗數(shù)據(jù)，摩擦因子關系式能擬合85.1%的實驗數(shù)據(jù)，兩者誤差都在正負15%。Perrotin T.等用二維和三維CFD仿真模擬了汽車冷凝器的換熱，并和實驗進行了對比，其仿真有助于更好的理解其換熱機理。Tafti D.K等基于CFD仿真研究了不同雷諾數(shù)下開窗翅片陣列的尾跡變化，發(fā)現(xiàn)雷諾數(shù)為400(翅片間距為特征長度)開始出現(xiàn)尾渦，雷諾數(shù)大于1300時候流動完全為湍流。Hsieh C.等對相繼增大和相繼減小翅片開窗角度模式進行了三維的CFD仿真研究，其結果表明相繼變化的開窗角度有助于提供微通道換熱器的換熱性能。國內方面，張劍飛等測試了雷諾數(shù)100至500時微通道換熱器的空氣側阻力，結果表明微通道換熱器空氣阻力與換熱量是同面積平翅片圓管換熱器空氣阻力相當。涂小平等人通過對13個微通道冷凝器空氣側性能進行時實驗研究，并用Kim-Bullar介紹的方法計算了空氣側換熱和摩擦系數(shù)，分析了其與迎風速度，翅片間距，翅片開窗數(shù)，扁管寬度與高度直徑的關系，并對其關聯(lián)式進行了重新擬合。Xiaoping TU等人基于實驗和CFD仿真的手段研究了不同翅片間距，翅片開窗角度，翅片長度等對微通道換熱器的換熱與壓降性能的影響，實驗結果表明CFD仿真模型有較好的預測能力，并給出了相關的設計參數(shù)的取值建議。
　　
　　本文基于ANSYS平臺，通過建立常規(guī)開窗翅片微通道換熱器空氣側的對流換熱CFD模型，并用實驗數(shù)據(jù)驗證該模型的準確與可靠。最終以此模型評估某新型翅片微通道換熱器的換熱性能。
　　
　　2 常規(guī)微通道換熱器
　　
　　2.1 幾何模型的簡化與網(wǎng)格生成
　　
　　針對整個微通道換熱器的空氣側換熱研究，1個和2個V型區(qū)域（包含一個卷積翅片，上下端各一半厚度的扁管）分別選取作為計算域進行仿真模擬。考慮到釬焊決定了扁管與翅片之間的熱阻，模型保留了翅片頂部和根部的焊錫(寬度0.12mm)，如下圖2。
　　
　　計算域，翅片與扁管間的釬焊 放大圖片
　　
　　圖2 計算域，翅片與扁管間的釬焊
　　
　　建模的微通道翅片二維圖紙如圖3，扁管寬帶為30mm，翅片半總長度為13mm，翅片高度10mm，翅片開窗角度為35°，翅片開窗數(shù)為20，翅片厚度約2.5mm。
　　
　　微通道翅片部分設計參數(shù)定義 放大圖片
　　
　　圖3 微通道翅片部分設計參數(shù)定義
　　
　　2.2 網(wǎng)格生成與CFD模型
　　
　　仿真模擬計算域的網(wǎng)格采用Tetra，壁面邊界網(wǎng)格采用prism，4層，網(wǎng)格數(shù)約為850萬。低溫制冷劑冷卻入流空氣， 假定扁管中心面等溫分布，入流均勻，翅片兩側空氣流動具有周期性。空氣處理為理想氣體，并考慮密度變化對流動的影響，流動模型為層流。入流氣體溫度為130°F，扁管中心溫度為95°F。翅片與扁管為全鋁材料，翅片與空氣側表面為流固交界面，處理為共軛換熱，即同時求解固體側與流體測換熱。其網(wǎng)格剖面與CFD建模如圖4。仿真基于該模型研究不同入流速度下微通道翅片空氣側的換熱與壓降。
　　
　　網(wǎng)格剖面圖與CFD模型邊界條件 放大圖片
　　
　　圖4 網(wǎng)格剖面圖與CFD模型邊界條件
　　
　　2.3 仿真結果比較
　　
　　通過對比不同計算域（1V與2V）的仿真結果，圖5。兩者無論是進出口壓降，還是翅片總的換熱率，都幾乎相同，最終模型采用1V計算域。
　　
　　不同計算域的結果比較 放大圖片
　　
　　圖5 不同計算域的結果比較
　　
　　圖6為微通道翅片CFD仿真結果與實驗測試結果的對比，兩者在換熱因子j(又稱Colburn 系數(shù))和摩擦因子f都有著較好的吻合度。尤其在雷諾數(shù)500至1000之間，兩者的誤差小于15%。這個區(qū)間也是微通道翅片的常規(guī)工作范圍。在低雷諾數(shù)下，兩者的誤差增大。這可能是此時的測量誤差的增加，以及單流道翅片(1V計算域)與整個微通道翅片陣列兩者物理結和幾何之間的區(qū)別導致。該建模方法可以用于同類微通道翅片的性能預測，從而指導翅片設計。
　　
　　CFD仿真結果與測試結果之間關于j和f因子的比較 放大圖片
　　
　　圖6 CFD仿真結果與測試結果之間關于j和f因子的比較
　　
　　3 新型翅片微通道換熱器
　　
　　3.1 新型翅片微通道換熱器的設計
　　
　　該新型翅片具有規(guī)整的幾何結構，翅片只需折彎即可。翅片頂部與底部都和扁管有著較大的接觸面積，且翅片表面無需開窗, 其幾何模型如圖7. 其中翅片總長度均為1英寸，翅片參數(shù)Fs(翅片長度)和Fp(翅片間距)是其主要的設計參數(shù)。
　　
　　某新型翅片的結構與設計參數(shù)Fs，F(xiàn)p 放大圖片
　　
　　圖7 某新型翅片的結構與設計參數(shù)Fs，F(xiàn)p
　　
　　3.2 新型翅片微通道換熱器仿真建模與仿真結果比較
　　
　　該新型翅片的建模網(wǎng)格全部采用六面體，如圖8，并做了當Fs=1/8英寸，F(xiàn)p=1/5英寸的微通道換熱器的網(wǎng)格無關性比較。圖9為網(wǎng)格無關性結果j和f因子的比較, 網(wǎng)格數(shù)從400萬到960萬，其j因子的差異相差小于2%，f因子的差異小于4%(其中400萬網(wǎng)格仿真結果的j和f分別設置為1)，最終采用400萬網(wǎng)格的拓撲設置。
　　
　　局部翅片與扁管表面網(wǎng)格 放大圖片
　　
　　圖8 局部翅片與扁管表面網(wǎng)格
　　
　　j和f因子的網(wǎng)格無關性比較 放大圖片
　　
　　圖9 j和f因子的網(wǎng)格無關性比較
　　
　　圖10為該新型翅片(Fs=1/20英寸，F(xiàn)p=1/5英寸)與常規(guī)微通道翅片A和B(已經(jīng)應用在空調換熱器中)的性能比較。由于其規(guī)整的翅片結構，有著在極低摩擦因子和較低制造成本。而換熱因子方面較常規(guī)開窗翅片有著接近的性能。
　　
　　不同翅片形式微通道換熱器的性能比較 放大圖片
　　
　　圖10 不同翅片形式微通道換熱器的性能比較
　　
　　4 結論
　　
　　本文研究了常規(guī)微通道換熱器空氣側的CFD建模方法，同時以實驗數(shù)據(jù)驗證了該模型的可靠性。基于此研究分析了某新型翅片微通道換熱器的性能，其CFD結果表明：與常規(guī)開窗翅片相比，新型翅片有著極低的壓降性能以及近似的換熱性能，從而具有更佳的翅片效率。

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