（哈尔滨空调股份有限公司，黑龙江 哈尔滨 150078）

浅谈带斜截半椭圆柱面空冷器的传热和流阻特性数值模拟

左俐莎

（哈尔滨空调股份有限公司，黑龙江 哈尔滨 150078）

在矩形通道内部，斜截半椭圆柱面为一种综合特性强、流动损失低且其流阻特性与传热效果受柱面参数影响的涡流发生器，在没有外功作用下，有助于增强空调空冷器侧的传热特性，降低其流阻，对于实现空冷器等换热设备的节能具有重要意义。本文在简析了斜截半椭圆柱面涡流发生器及空冷器模型参数的基础上，以三角形小翼涡流发生器为比较对象，重点对带斜截椭圆柱面空冷器对流换热的传热特性及其阻流特性进行数值模拟分析，以期为工程应用实践提供有力参考。

斜截带椭圆柱面；空冷器；阻流特性；传热

一、斜截半椭圆柱面与空冷器模型参数简析

在本文的数值模拟分析中，空调用空冷器分别采用两排叉排、顺排圆管的圆管布置方式进行空冷器布置。在数值模拟分析中，涡流发生器与空冷器模型参数分别如下：三角形小翼与斜截半椭圆柱面为涡流发生器的两种主要类型。若以W、l、h、α、β分别表示涡流发生器的宽度、长度、后缘高度以及斜截角、攻角，则斜截半椭圆柱面模型参数有l=4.78mm、w=h=2.39 mm、α=20°、β=45°；三角形小翼模型参数有l=4.78 mm、h=2.39 mm、β=45°。采用叉排与顺排布置方式的空冷器具有几何对称性特征，在涡流发生器布置时，于圆管后缘的两侧处对其实施对称性布置，在空气流动过程中，后缘流动向高而前缘低，且在纵向与横向两个方向上与圆管圆心间距皆是圆管直径的1/2倍。若n、p、ST、SL、d分别表示空冷器的管排数、翅片间距、横向与纵向管间距、圆管外径等，则空冷器模型参数有n=2，p=3.18mm、ST=25.38mm、SL=21.97mm、d=10.21mm。对于日常空调用空冷器而言，在层流流动工况之下，其空气流速多≤6m·s-1，则相应的Reynolds数多在2200以内。

二、带斜截半椭圆柱面空冷器传热特性与流阻特性分析

（一）数值模拟与结果分析

在数值模拟计算过程中，以北方地区的夏季所用的冷式冷凝器作为分析实例，模拟分析中假设制冷剂一直处在温度恒定、湿蒸汽状态之下，且设环境空气温度为303K，且不考虑翅片以及管壁自身具有的导热热阻。若用j、f、R、Pr、△P、At、Ac分别表示空冷器的传热因子、摩擦因子、平均对流传热系数、空气Prandtl数、进出口压力损失、流道总换热面积与最小横截面积，则有：

其中p与U分别表示空气密度及其平均流速。在数值模拟计算中，选用SIMPLE算法对速度与压力实施耦合，且运用二阶迎风格式为能量与动量的方程离散格式，并采用如下方程通用式控制计算区的能量、动量与质量。

方程为：

其中，通用方程式因变量为φ，且φ=｛T、w、v、u｝，且广义项与广义扩散系数分别为гφ与Sφ。在计算过程中，涡流发生器壁面以及流体两侧边界分别为绝缘边界与对称边界在模拟计算中，空气流动与换热都能够实现充分发展，且边界条件有：w=v=0，T=T0、U=U0。

通过数值模拟计算发现，在没有布置涡流发生器时，两种圆管布置方式向比较而言，顺排管空冷器的传热因子j值、摩擦因子f值均要低于叉排空冷器，其中j值约低14%～93%，f值约低30%-76%。在布置有涡流发生器时，叉排空冷器强化传热效果基本一致，而顺排布置方式下，三角形小翼的传热效果要低于斜截半椭圆柱面，约高于1.2%。同时，顺排与叉排布置方式下，相较于三角形小翼的空冷器流阻而言，斜截半椭圆柱面的流阻分别降低2%与4.5%左右。此外，若采用斜截半椭圆柱面布置，当空气Prandtl数大于1000或1300时，三角形小翼与斜截半椭圆柱面均对叉排空冷器产生减小流阻的效果，其中斜截半椭圆柱面的减阻效果最为明显，最低可减小6%左右。

（二）传热与流阻特性分析

根据以上分析，若在布置涡流发生器时，以顺排布置方式为例，若空气Reynolds数为2000时，在布置过程中，在上翅片与管壁两者的结合位置会出现马蹄涡现象，而在管后缘位置，斜截半椭圆柱面会出现端部涡现象。在柱面的阻挡之下，下翅片与管壁两者的结合位置的蹄涡现象不明显。所产生的蹄涡与端部涡涡旋的旋转方向是相反的，且均具有纵向涡的特性。其中，马蹄涡具有破坏翅片与管壁壁面的作用，从而使空气边界层得以减薄甚至遭到破坏，并在横向与纵向两个方向上，促进边界层与流道主流区域空气能量以及动量等的交换，最终使空冷器的传热特性得以强化。而在叉排布置方式下，涡流发生器同样也会诱导马蹄涡与端部涡进行相互作用，实现空冷器传热特性的强化。

对比三角形小翼与斜截半椭圆柱面两种涡流发生器形式而言，三角形小翼的迎流截面要稍小于斜截半椭圆柱面，其产生的流动阻力要大于采用流线型设计的斜截半椭圆柱面，可见在布置半椭圆柱面的空冷器内可获得更为均匀的内流场，斜截半椭圆柱面的背风与迎流面的管后滞止区消除效果也占有突出优势。

综上分析可见，在不同圆管布置方式下，涡流发生器对顺排布置方式下空冷器传热强化效果要低于叉排布置方式；且其流动减阻效果也要低于叉排布置方式下涡流发生器对空冷器的减阻效果。此外，采用叉排布置方式，进行空冷器管布置之后，产生的管后滞止区域流动损失相对较小。由此可见，在工程实际应用中，斜截半椭圆柱面是一种具有较低流动损失，具有强化传热以及流动减阻等综合性能的涡流发生器，在其布置过程中时，采用叉排空冷器管进行布置，可获得较高的综合特性。

[1]高猛，周国兵.矩形通道中斜截半椭圆柱面传热和流阻数值模拟[J].中国电机工程学报，2011（17）：72-78.

[2]周国兵，杨来顺，冯知正，何静.柱面梯形翼强化直接空冷凝汽器换热及其流阻性能的数值模拟[J].中国电机工程学报，2012（23）：55-63.

TK17 < class="emphasis_bold"> 文献标识码：A

A