刘洋，水文菲
中车株洲电力机车有限公司，湖南株洲，412001
摘要：为提升板翅式换热器的综合性能，采用数值模拟方法，探究翅片结构参数对板翅式换热器翅片的流动传热特性的影响。结果表明，减小翅片长度可以增强板翅式换热器的换热效果，但同时也会增加换热器的阻力，因此要根据实际情况进行综合考虑；在研究范围内，翅片长度在l=5m时，翅片的JF因子最高，综合性能最好；模拟结果在v=5m/s的综合换热效果是最好的，说明在低雷诺数的情况下换热性能要优于高雷诺数的条件。研究结果可以为板翅式换热器错位翅片的优化设计提供理论指导。
关键词：板翅式换热器；错位翅片；换热性能； JF因子
1引言
板翅式换热器广泛应用于空分、航天、化工等领域，得益于其传热效率高、紧凑轻巧、适应性强等优点，可在200℃到接近绝对零度的温度区间内工作。科技工业的发展，对板翅式换热器的综合性能有了更高的要求，主要体现在板式换热器的翅片上，其结构尺寸对换热器的性能影响较大，因此研究翅片结构如何影响板翅式换热器就有重要的应用价值。
本文来源于高温空气换热的实际工程背景，以板翅换热器错位翅片为研究对象，对翅片取不同长度进行建模，利用数值模拟方法，研究错位翅片通道内流场的换热特性，分析结构参数对其换热性能的影响，以JF因子最大为优化目标，对错位翅片结构进行优化研究。
2几何结构及计算模型
2.1物理模型及边界条件
图1为计算物理模型，其中翅片参数包括翅片高度h、翅片间距s、翅片长度l、翅片厚度t、模型长度L。为了使流体在翅片入口前端处于充分发展状态，进口段延长了20mm；为了避免出口出现回流现象，出口段延长了50mm。
由于翅片入口前端流体分配均匀，入口边界条件设为速度入口，入口温度为313K。由于在翅片结构的进出口处添加了延长段，为了维持通道内的雷诺数不变，需要将延长段入口速度进行换算，计算方法如下：
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错位翅片的结构及参数见图1及表1，本文对错位翅片的数值模拟进行了如下简化：
（1）流体与固体间只考虑对流换热与导热过程，不考虑辐射换热；
（2）由于流体进出口温差较小，所以将流体物性设为定值；
（3）错位翅片表面光滑，与上、下隔板接触良好，忽略由于加工工艺等导致的边缘毛刺、表面不平整等现象；
（4）认为流体在翅片入口前端均匀分配。
2.2模型网格及无关性验证
为了排除网格对计算结果的影响，对6种不同网格数量的模型进行了计算。不同网格数情况下，出口温度T0、隔板温度Tw和阻力△P的计算结果如图2所示。由图1可见，网格数为50万之后，计算结果基本不再发生变化，因此确定网格数为50万。网格划分如图2所示。
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计算模型的网格由Gambit生成，经过检查模型的网格质量都符合要求，如图2所示。由于流体流动边界层和热边界层在靠近壁面的区域，速度梯度和温度梯度较大，为更加精细地刻画该区域内流动换热情况，对近壁区进行加密处理。
3计算结果及分析
3.1翅片参数对翅片性能的影响
3.1.1翅片参数对j因子的影响
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图3翅片长度对传热因子j的影响
翅片长度l对j因子的影响如图3所示，翅片长度l增大，j因子减小，并且翅片长度越小时，这种减小幅度越明显。l的减小会导致换热增强，原因是增大了换热面积，减薄了边界层，以及增强了对流体的扰动[6]，即l的减小加剧了流动方向上对边界层的破坏，提高了主流区流速。当翅片长度较小时，对流体的搅混作用强烈，而随着翅片长度的增加，流道结构由错位型几何特征变为类似平直流道的几何特征，错位结构对流体的搅混作用不再明显。由图3可知，随着翅片长度的增加，j因子的提升速率越来越慢，提升空间越来越小。这是由于当翅片长度增大到一定程度后，在波谷处会形成漩涡与流动死区，导致错位翅片的结构对主流区的搅混不充分，传热性能提升不大。
3.1.2翅片参数对j因子的影响
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图4翅片长度对摩擦因子f的影响
翅片长度l对f因子的影响如图4所示，翅片长度增大，f因子减小，并且翅片尺度越小时，这种减小幅度越明显。这与翅片长度对j因子的影响机理相同，在错位翅片的结构设计中，应当特别关注翅片长度，过大的翅片长度会抑制二次流的形成，削弱强化传热效果，而太小的翅片尺度又会导致压降的激增。
l的减小会强化换热，因此j因子随之增大。随着l的减小，主流区的流速增大，沿程阻力随之增大；翅片附近边界层内流体流速降低，此处沿程阻力减小，但单位长度上翅片个数增加，导致产生横向涡的次数增多，局部阻力增大，最终流道阻力增加，f因子增大。随着l的减小，j因子的增长程度逐渐小于f因子的增长程度，因此在研究范围内出现极值点[6]。
3.2优化结果
本文选取JF因子最大为优化目标，Re从1100~2700范围内对翅片的参数进行优化，下表是在不同的翅片长度及不同速度的条件下的JF因子情况。
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综上可知，减小翅片长度，可以从增强流体扰动、减薄边界层、增加换热面积三方面强化换热；翅片长度越小，翅片的传热性能越好，但阻力也随之增大；在研究范围内，l=5m时，翅片的JF因子最高，说明综合性能最好，同时在v=5m/s的综合换热效果是最好的，说明在低雷诺数的情况下换热性能更好。
4结论
针对板翅式换热器错位翅片进行参数化建模，从流动、换热2个方面对翅片结构进行了分析及多目标优化，结论如下：
（1）减小翅片长度可以增强板翅式换热器的换热效果，但同时也会增加换热器的阻力。错位翅片规律性的偏移，阻断各个翅片的连接，周期性的打破边界层的连续，因此起到强化传热的作用，以增加二次传热面积，提高传热效率，但传热面积增加的同时必然增加流体受到壁面影响的摩擦阻力，因此要根据实际情况进行综合考虑。
（2）在研究范围内，翅片长度在l=5m时，翅片的JF因子最高，综合性能最好。
（3）模拟结果在v=5m/s的综合换热效果是最好的，说明在低雷诺数的情况下换热性能要优于高雷诺数的条件。
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作者简介：
刘洋（1983-），男，湖南岳阳人，高级工程师
水文菲（1986-），女，贵州遵义人，高级工程师