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平行流冷凝器空气侧换热性能和压降的CFD仿真及试验研究

田晓虎

   平行流冷凝器已广泛应用于轿车、卡车、面包车甚至大客车,是最有前途的冷凝器形式。高效化、小型化、轻量化、低成本化是平行流冷凝器的发展方向。如何有效提高平行流冷凝器类紧凑式热交换器的空气侧换热系数,降低空气侧压降就成为近年来强化换热领域的研究热点之一。国内外科学工作者在热交换器空气侧结构参数对其空气侧性能的影响规律和强化换热机理方面进行了深入、系统的研究,同时也存在着较为明显的局限性,主要体现在: ①由于研究对象的空气侧结构参数差异较大,使得不同研究者对同一问题进行研究后可能得到不同的结论;而且绝大多数研究对象的冷凝器厚度大于16mm,如果将其研究结果直接用于工程设计,开发厚度小于16mm的高效平行流冷凝器,就有可能产生很大的偏差。 ②过多地关注于性能强化方面的普遍性研究而忽略了性能弱化方面的特殊性研究,而事实上,特殊性才往往能够为工程设计带来创新和质的飞跃。为有效地解决这两个问题,本文采用试验和CFD仿真分析方法系统地研究了47种厚度为10mm~16mm平行流冷凝器的空气侧结构参数对空气侧换热系数和压降的影响规律及其内在机理。主要研究成果如下: ①建立了能够真实反映空气流动和换热特性的三维CFD仿真模型,与试验结果相比,通过CFD仿真计算得到的空气侧换热系数和压降的平均误差不超过±5.28%。 ②通过试验和CFD仿真分析发现,在相同迎面风速ufr下,降低扁管厚度可提高平行流冷凝器空气侧的综合性能。因此,降低扁管厚度是发展高效节能平行流冷凝器的一个重要方向。 ③通过CFD仿真分析发现,在相同雷诺数Re LP下,百叶窗转向区长度的改变对平行流冷凝器空气侧的综合性能基本不产生影响;而随着百叶窗间距的增加,平行流冷凝器的综合系数将出现峰值;当冷凝器厚度降低时,综合系数将持续增加。因此,降低平行流冷凝器的厚度是发展高效节能平行流冷凝器的一个重要方向,在此基础之上,合理地选择百叶窗间距有助于获得最佳的空气侧综合性能。 ④通过CFD仿真分析,发现了“强制有序流动”现象,它对平行流冷凝器空气侧换热系数和压降的影响强弱只与百叶窗的结构参数有关,特别是受百叶窗角度和翅片间距的影响很大。当出现“强制有序流动”现象时,平行流冷凝器空气侧综合性能将产生弱化。因此,在工程设计中要尽量避免产生“强制有序流动”。 ⑤推导了适用于10mm~16mm厚高效平行流冷凝器开发的α关联式,与公认的预测精度较高的Webb关联式、Chang关联式和Kim关联式相比,通过α关联式计算得到的落入±10%误差范围的空气侧换热系数和压降数据比上述三种关联式的高44%以上。 本文的创新点在于: ①发现并定义了“强制有序流动”现象。 ②建立了冲击角的计算方法,并将其作为独立变量应用到关联式的构筑当中。 ③在构筑关联式的过程中采用了CFD分析数据,这在以往类似关联式的推导过程中是没有的。但它比Webb关联式、Chang关联式和Kim关联式具有更高的预测精度和更低的误差这一事实说明:采用CFD分析数据来构筑关联式是充分可行的,这为以后关联式的研究指出了一个重要发展方向。 本文的研究成果可完全应用于工程实际,这对于提高我国高效平行流冷凝器及其类似紧凑式热交换器的研发水平具有重要的现实意义,也必将为我国汽车工业创造巨大的社会和经济价值。……   
[关键词]:平行流冷凝器;CFD(计算流体力学);换热系数;压降;结构参数
[文献类型]:博士论文
[文献出处]:重庆大学2007年