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　　早在20世纪80年代，微通道换热器开始应用到电子器件的冷却问题上，表现出体积小，结构紧凑，传热系数高等优点；为解决汽车空调体积大、易损坏等缺点，美国Modine公司借鉴电子产品领域的微通道换热器设计了平行流换热器。后来日本昭和铝等公司在两端集管中增加隔板形成不同回路而称之为多元平行流冷凝器。目前，全铝的微通道换热器已广泛应用于汽车空调行业，随着加工工艺、技术和新型铝材的开发，正逐步应用于家用和商用制冷空调领域。
　　
　　**的换热性能，较低的制造成本和简易的制造工艺一直都是换热器的目标，目前常规的全铝微通道换热器结构如下：
　　
　　微通道换热器结构图与实物放大图片
　　
　　图1 微通道换热器结构图与实物
　　
　　分配管（集流管），扁管（平行流管），翅片为微通道换热器主要构成部分。其换热比较复杂，包括制冷剂与扁管之间的对流换热，扁管与翅片之间的热传导，翅片与空气的对流换热。制冷剂的相变，更是增加的其换热研究的难度，目前对微通道换热器的研究设计以实验验证为主，而基于CFD的仿真研究比较少。国外方面，Man-Hoe Kim和Clark W. Bullard基于45种微通道换热器的实验测试结果，分析了翅片间距，开窗角度，翅片长度等等对其换热和压降的影响，并回归推导摩擦因子和换热因子与翅片几何参数的关系。Chi-Chuan Wang等对74传统的圆管翅片式换热器进行了换热测试，回归了其翅片和圆管几何参数与摩擦因子和换热因子的的关系。其换热因子关系式能拟合88.6%的实验数据，摩擦因子关系式能拟合85.1%的实验数据，两者误差都在正负15%。Perrotin T.等用二维和三维CFD仿真模拟了汽车冷凝器的换热，并和实验进行了对比，其仿真有助于更好的理解其换热机理。Tafti D.K等基于CFD仿真研究了不同雷诺数下开窗翅片阵列的尾迹变化，发现雷诺数为400(翅片间距为特征长度)开始出现尾涡，雷诺数大于1300时候流动完全为湍流。Hsieh C.等对相继增大和相继减小翅片开窗角度模式进行了三维的CFD仿真研究，其结果表明相继变化的开窗角度有助于提供微通道换热器的换热性能。国内方面，张剑飞等测试了雷诺数100至500时微通道换热器的空气侧阻力，结果表明微通道换热器空气阻力与换热量是同面积平翅片圆管换热器空气阻力相当。涂小平等人通过对13个微通道冷凝器空气侧性能进行时实验研究，并用Kim-Bullar介绍的方法计算了空气侧换热和摩擦系数，分析了其与迎风速度，翅片间距，翅片开窗数，扁管宽度与高度直径的关系，并对其关联式进行了重新拟合。Xiaoping TU等人基于实验和CFD仿真的手段研究了不同翅片间距，翅片开窗角度，翅片长度等对微通道换热器的换热与压降性能的影响，实验结果表明CFD仿真模型有较好的预测能力，并给出了相关的设计参数的取值建议。
　　
　　本文基于ANSYS平台，通过建立常规开窗翅片微通道换热器空气侧的对流换热CFD模型，并用实验数据验证该模型的准确与可靠。最终以此模型评估某新型翅片微通道换热器的换热性能。
　　
　　2 常规微通道换热器
　　
　　2.1 几何模型的简化与网格生成
　　
　　针对整个微通道换热器的空气侧换热研究，1个和2个V型区域（包含一个卷积翅片，上下端各一半厚度的扁管）分别选取作为计算域进行仿真模拟。考虑到钎焊决定了扁管与翅片之间的热阻，模型保留了翅片顶部和根部的焊锡(宽度0.12mm)，如下图2。
　　
　　计算域，翅片与扁管间的钎焊放大图片
　　
　　图2 计算域，翅片与扁管间的钎焊
　　
　　建模的微通道翅片二维图纸如图3，扁管宽带为30mm，翅片半总长度为13mm，翅片高度10mm，翅片开窗角度为35°，翅片开窗数为20，翅片厚度约2.5mm。
　　
　　微通道翅片部分设计参数定义放大图片
　　
　　图3 微通道翅片部分设计参数定义
　　
　　2.2 网格生成与CFD模型
　　
　　仿真模拟计算域的网格采用Tetra，壁面边界网格采用prism，4层，网格数约为850万。低温制冷剂冷却入流空气，假定扁管中心面等温分布，入流均匀，翅片两侧空气流动具有周期性。空气处理为理想气体，并考虑密度变化对流动的影响，流动模型为层流。入流气体温度为130°F，扁管中心温度为95°F。翅片与扁管为全铝材料，翅片与空气侧表面为流固交界面，处理为共轭换热，即同时求解固体侧与流体测换热。其网格剖面与CFD建模如图4。仿真基于该模型研究不同入流速度下微通道翅片空气侧的换热与压降。
　　
　　网格剖面图与CFD模型边界条件放大图片
　　
　　图4 网格剖面图与CFD模型边界条件
　　
　　2.3 仿真结果比较
　　
　　通过对比不同计算域（1V与2V）的仿真结果，图5。两者无论是进出口压降，还是翅片总的换热率，都几乎相同，最终模型采用1V计算域。
　　
　　不同计算域的结果比较放大图片
　　
　　图5 不同计算域的结果比较
　　
　　图6为微通道翅片CFD仿真结果与实验测试结果的对比，两者在换热因子j(又称Colburn 系数)和摩擦因子f都有着较好的吻合度。尤其在雷诺数500至1000之间，两者的误差小于15%。这个区间也是微通道翅片的常规工作范围。在低雷诺数下，两者的误差增大。这可能是此时的测量误差的增加，以及单流道翅片(1V计算域)与整个微通道翅片阵列两者物理结和几何之间的区别导致。该建模方法可以用于同类微通道翅片的性能预测，从而指导翅片设计。
　　
　　CFD仿真结果与测试结果之间关于j和f因子的比较放大图片
　　
　　图6 CFD仿真结果与测试结果之间关于j和f因子的比较
　　
　　3 新型翅片微通道换热器
　　
　　3.1 新型翅片微通道换热器的设计
　　
　　该新型翅片具有规整的几何结构，翅片只需折弯即可。翅片顶部与底部都和扁管有着较大的接触面积，且翅片表面无需开窗, 其几何模型如图7. 其中翅片总长度均为1英寸，翅片参数Fs(翅片长度)和Fp(翅片间距)是其主要的设计参数。
　　
　　某新型翅片的结构与设计参数Fs，Fp 放大图片
　　
　　图7 某新型翅片的结构与设计参数Fs，Fp
　　
　　3.2 新型翅片微通道换热器仿真建模与仿真结果比较
　　
　　该新型翅片的建模网格全部采用六面体，如图8，并做了当Fs=1/8英寸，Fp=1/5英寸的微通道换热器的网格无关性比较。图9为网格无关性结果j和f因子的比较, 网格数从400万到960万，其j因子的差异相差小于2%，f因子的差异小于4%(其中400万网格仿真结果的j和f分别设置为1)，最终采用400万网格的拓扑设置。
　　
　　局部翅片与扁管表面网格放大图片
　　
　　图8 局部翅片与扁管表面网格
　　
　　j和f因子的网格无关性比较放大图片
　　
　　图9 j和f因子的网格无关性比较
　　
　　图10为该新型翅片(Fs=1/20英寸，Fp=1/5英寸)与常规微通道翅片A和B(已经应用在空调换热器中)的性能比较。由于其规整的翅片结构，有着在极低摩擦因子和较低制造成本。而换热因子方面较常规开窗翅片有着接近的性能。
　　
　　不同翅片形式微通道换热器的性能比较放大图片
　　
　　图10 不同翅片形式微通道换热器的性能比较
　　
　　4 结论
　　
　　本文研究了常规微通道换热器空气侧的CFD建模方法，同时以实验数据验证了该模型的可靠性。基于此研究分析了某新型翅片微通道换热器的性能，其CFD结果表明：与常规开窗翅片相比，新型翅片有着极低的压降性能以及近似的换热性能，从而具有更佳的翅片效率。

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