张宁
珠海格力电器股份有限公司，广东 珠海，519070
【摘要】 本文采用数值仿真计算方法对某风冷螺杆机组V型翅片管冷凝器空气侧气流组织进行研究和分析。研究表明，风量大小随V型夹角呈开口向下的抛物线变化，存在最大风量值，对应的最优夹角为52.4°，从风量大小考虑，50°—55°范围为可取的最优范围。从风速分布的均匀度来看，夹角越大，均匀度越高，55°—60°夹角下的风速分布最为均匀。综合考虑风量大小和均匀度两个方面，V型夹角推荐范围为52.4—55°。
【关键词】 V型翅片冷凝器 夹角 数值仿真
0 引言
风冷冷热水螺杆机组是夏天提供冷水，冬天提供热水的空调设备，可以与风柜及组合式空调等末端空气处理机组组成各种大型集中式空调系统，广泛用于新建和改建的大小工业与民用建筑空调工程，如宾馆、公寓、酒家、餐厅、办公大楼、购物商场、影剧院、体育馆、医院及厂房等，也可为工厂生产的工艺过程提供所需的冷（热）水。其冷凝器采用风冷翅片管式换热器，特别适合缺水的地区，且为用户节省了冷却塔、冷却水泵和冷却管道等的设备投资。风冷螺杆机的诸多优势，使其应用越来越广。
随着全球环境污染和能源问题日益凸显，制冷行业对高能效和节能环保的要求也越来越高。在不增加机组成本的前提下，优化机组的换热性能可适当提高机组的能效。风冷螺杆的冷凝器多采用V型布置，而V型夹角的不同会影响换热器处的风场分布，从而影响冷凝器的换热。国内学者[1-2]汪吉平和何莹等虽对V型冷凝器的风场进行了仿真，研究出不同夹角对风量的影响，但文献作者仅将风机模型简化为一个很薄的面，采用压强跃升[3]模型模拟风机的工作特性，与实际风叶转动产生的风场有较大的差别。本文采用真实风叶模型进行处理，在实际转速情况下仿真冷凝器的流场，对比不同夹角下的风量和均匀度，得出的最优夹角对实际机组设计更具有指导意义。
1 模型处理及设定
1.1物理模型
本文研究对象为风冷螺杆机组的V型冷凝器部分，由两片翅片换热器和两个风机组成，两片换热器成V型布置，进风从换热器两侧被吸入，经过翅片换热器与冷媒换热后，经风机排出。翅片换热器为3排，48列，25.4*22叉排形式，翅片厚度0.105mm，片距1.693mm，换热管直径9.52mm，管长2mm，翅片类型为波纹开窗片，风机转速920r/min。
1.2数学模型
1.2.1基本假设
1）空气为不可压缩流体，物性为常数；
2）计算域中流态为稳态紊流；
3）翅片换热器处理为多孔介质模型[4]；
4）空气流动动力只来源于风机转动，不受周围气体影响。
1.2.2 质量守恒方程
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式（2）为x方向的动量方程，y和z方向方程类似。其中ρ为空气密度，单位kg/m3。p为空气压力，单位为Pa。μ为动力粘度，单位为Pa·s。Su是动量守恒方程的广义源项，Su=Fx=0，体力只考虑重力，z轴为重力方向，竖直向上。
1.2.4 湍流模型
采用标准k-ε两方程湍流模型，k-ε两方程湍流模型是对瞬态N-S方程做时间平均处理，同时补充湍动能方程和湍流耗散率方程。
1.2.5 翅片换热器模型
翅片式换热器翅片间距很小，而换热器整体尺寸又很大，采用真实流体区域进行计算，计算量会非常大，甚至很难计算出结果。本文将翅片管换热器部分简化为多孔介质模型，用等效的阻力来替代。多孔介质模型函数为：
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其中α为渗透性系数；C2为惯性阻力系数，Si为第i个（x、y或z方向）动量方程中的源项。
通过测定不同迎面风速下，经过换热器的压力降，拟合二次多项式后可确定渗透性系数和惯性阻力系数[5]。本文采用换热管直径9.52mm，翅片间距1.693mm，3排的翅片管换热器，经测定的压力降与风速的关系拟合计算后得出，惯性阻力系数为C2=351，渗透性系数α=1.46E+07
1.2.6 边界条件
1）所有壁面采用无滑移的绝热边界条件，近壁面采用标准壁面函数，即u=v=w=0;
2）入口边界条件设定压力进口（全压为0），出口设定为压力出口（静压为0），风机转速设定为920r/min。2 模拟结果
通过调研一些厂家风冷螺杆V型冷凝器的夹角，大多集中在50°左右，再结合设计经验，本文在40°——60°之间选取5个角度对V型换热器的风场进行仿真计算。这5个角度分别为40°/50°/52°/55°/60°，仿真的先后顺序为角度50°——60°——40°——55°——52°，后面的角度是根据前期角度的仿真结果逐步选取的，旨在验证推测和找出最优角。
以夹角50°仿真结果来观察V型冷凝器风场分布情况，图1为整个流通通道内的流线图，图2为两侧翅片迎风面速度分布图，颜色代表速度大小，单位m/s，仿真计算出的风量大小为20880m3/h，与实际测试风量20100m3/h，精度为3.9%。整个流场是由风机提供的动力，风机附近速度集中在10-25m/s，翅片附近速度集中在1.5-3.5m/s。经过翅片换热器的空气流速自下而上逐步增大，距离风机越近，风速越大。
如图3所示，将翅片的迎风面沿着竖直方向均分为24份，自上而下对均分线从1至23进行编号。取第1、6、12、18、23等5条为代表线。在水平方向上均分为2份，取中分线为代表线。如图4为翅片迎风面水平方向各代表线上速度分布曲线图，图5为翅片迎风面竖直中心线上速度分布曲线图。从图4和图5可以看出，风速沿水平方向分布平稳且呈左右对称分布，中间80%区域速度很接近，两侧靠近边板位置风速梯度较大。风速在竖直方向自下而上逐渐增大，在中间80%区域几乎呈线性分布，斜率可表示出速度变化的快慢。迎风面上的速度分布影响冷媒的换热效果，可为冷媒分路提供参考。风速加大的区域冷媒支路可布置较长一些，而风速较小的区域冷媒支路可布置较短一些。
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如图6至图7，在40°的翅片最上方，即代表线1上的风速在所有角度中最大，而翅片最小方，即代表线23上的风速在所有角度中最小，明显可以看出40°夹角速度分布最不均匀，这是因为夹角越小，风机距离迎风面的上方越近，距离下方越远，越远的地方风速是越弱的。
由图6至图7中的各条曲线对比，夹角越大，均匀度越高，所以在40—60°范围内，不难看出55°和60°夹角下的风速分布更加均匀，这点也体现各角度下竖直中心线上速度分布曲线图中，55°和60°竖直中心线的速度斜率相对更小，说明变化速率更小，速度分布相对更加均匀。
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翅片迎风面总风量随角度变化曲线，曲线呈抛物线变化，总风量的最优值出现在52.4°。50°和55°时的风量大小接近，对称分布于顶点的两侧，其风量与 最大顶点值相差82 m3/h,相对值为0.24%，所以从风量大小来看，50—55°范围为可取范围，52.4°为最优值。52.4°角对应的风量相对于40°风量提升4%。
由以上分析，综合考虑风量大小和均匀度两个方面，夹角布置在52.4—55°为比较合理的范围内，靠近52.4风量值最优，靠近55°风速分布最均匀。具体角度值可考虑结构布置的方便美观等其他因素进行选取。
3 结论
笔者采用真实风叶模型，应用数值仿真计算方法对某风冷模块式冷热水机组翅片管换热器空气侧气流组织进行研究，得到不同夹角的V型布置换热器空气侧流场分布，研究表明：
1）根据40°/50°/52°/55°/60°这五个角度的计算结果，拟合出平均风速和风量大小随v型夹角呈开口向下的抛物线变化，存在最大风速和风量值，此时对应的夹角为52.4°；
2）综合考虑风量大小和均匀度两个方面，夹角布置在52.4—55°为比较合理的范围内，靠近52.4风量值最优，靠近55°风速分布最均匀。
参考文献：
[1]汪吉平,任能,吴振林.Ｖ形布置换热器性能优化[J].制冷与空调,2013,13(9):35-37.
[2]何莹,邢晓熙,杭国成等.风冷冷水机组V 型冷凝器空气流动的模拟[J].节能科技,2014(1):38-41.
[3]周福昌.CFD在工程中的一些应用［D］．华中科技大学，2009.
[4]邓斌,李欣,陶文铨.多孔介质模型在管壳式换热器数值模拟中的应用［J］．工程热物理学报,2004(S1)：167-169.
[5]吕如兵,刘亚丽,李嘉等.基于CFD 原理的V 形换热器流场分析[J].制冷与空调,2016(2):47-52.