倒T型管翅式散热器换热特性的研究

陈金友，漆波

（1.湖南财经工业职业技术学院，湖南 衡阳 421002；2.南华大学，湖南 衡阳 421001)

管翅式散热器是热水型热交换设备之一，普遍应用于采暖行业中，管翅式散热器工作过程较为简单，高温热水进入翅片管，高温热水与翅片管内壁通过对流换热的方式进行热交换，以热传导的方式将能量从翅片管内表面传到外表面，最后通过对流换热的方式将热量从翅片管外壁传到周围环境空气。散热器性能的优劣对工作效率、能效等级和生产成本等有直接影响作用。散热器由于缺乏理论研究，使散热器在设计、生产过程中缺失理论指导，使生产的散热器换热性能不良。市场作用下为了满足客户对散热器散热量的要求，企业通过增大散热器尺寸的方式满足顾客诉求，增大散热器尺寸的同时也增加了其安装尺寸及生产材料成本。因此对管翅式散热器做理论研究、规律探索、关键影响因素分析是资源节约的要求。

1 数学物理模型的建立

1.1 物理模型

倒T型布置的4根翅片管其布置位置如图1所示，其位置结构参数如表1所示。对倒T型散热器进行模拟仿真研究，关键在于计算4跟翅片管换热量大小。

图1 翅片管倒T型布置物理模型

表1 管翅式散热器结构参数

1.2 数学模型

管翅式散热器模拟仿真过程中，散热器换热主要是翅片管内外壁之间、管道与翅片之间的导热、翅片管与周围空气间的对流换热，这一类换热属于典型的流固耦合换热，进行流动数值计算时同时满足三大守恒定律，质量守恒定律、动量守恒定律和能量守恒定律具体的控制方程表达式如下。

（1）质量守恒方程

其中：ρ表示流体的密度；t表示时间；u、v、w分别表示速度矢量在x、y、z方向上的分量。

（2）动量守恒方程

（3）能量守恒方程

其中：cp表示比热容，单位；T表示温度，单位；k为流体的传热系数，单位；ST为粘性耗散项，即在粘性作用下流体机械能转化为热能的部分。

采用压力进口、压力出口边界条件，总温设置为291K，入口边界上的湍流动能k为1，湍流耗散率e为1，进口空气物性参数为：定压比热容,导热率：，动力粘度：。假定壁面温度从上到下依次为348K、346 K、344 K、342 K。

本文中对速度、温度变化相对较小的翅管和翅片区域采用六面体的结构化网格，这样在不影响结果的前提下，减小计算量；速度、温度变化相对较大的其他区域，该区域采用三维非结构化网格，网格相对更小些，紧密些，此过程更多的关注计算结果的准确度。

经过网格无关性检测，倒T型管翅式散热器模型网格数量为150万个左右，整体网格划分情况如图2所示，翅片管网格划分情况如图3所示。

图2 翅片管倒T型布置整体网格划分

图3 翅片管倒T型布置翅片管网格划分

2 数值模拟结果与分析

2.1 数值计算结果

对倒T型管翅式散热器进行Fluent仿真计算，计算结果（包括四根翅片管各自换热量）如表2所示，散热器温度场分布图如图4所示，散热器速度场分布图如图5所示，散热器速度场矢量图如图6所示，散热器局部速度场矢量图如图7所示。

表2 倒T型管翅式散热器计算结果

2.2 结果分析

从表2结果分析得出：倒T型管翅式散热器不同的翅片管散热能力相差较大，第一根翅片管散热量占总散热量的38.36%，第二根翅片管散热量占总散热量的42.41%，第三根翅片管散热量占总散热量的14.55%，第四根翅片管散热量占总散热量的4.68%，所以倒T型管翅式散热器采用三根翅片管和四根翅片管在散热能力上区别不大，考虑生产材料等成本，建议采用三根翅片管。

图4 翅片管倒T型布置翅片管温度等值线图

图5 翅片管倒T型布置翅片管速度分布云图

图6 翅片管倒T型布置翅片管速度分布矢量图

从图4结果可以看出：倒T型管翅式散热器结构上属于对称性散热器，但是结果显示下面水平方向对称的两根翅片管温度却不一样，右侧翅片管的温度低于左侧翅片管的温度。

图7 翅片管倒T型布置翅片管出口局部速度矢量放大图

从图5、图6结果可知，外壳与翅片管有一定的间隙，存在少量的流体从翅片两侧绕过，并且速度相对较大，其结果的出现主要是受到翅片管阻力的影响。基于以上分析可以得到：结构对称的倒T型管翅式散热器其所引起的温度场和流场分布并不完全对称，不同翅片管间的温度不完全一样，流体流经翅片管受到的阻力也不完全相同。

从图7可以看出，流体经过翅片管以后，大量流体从出口中心部分流出，且中心流体的速度相对较高，少量的流体从两侧流出，且流速较低，并且在流体出口附件有回流产生的迹象，不利于散热器内空气流动，同时阻碍散热能力的提高。

3 结语

倒T型散热器布置在中间的两根翅片管能让气流组织分布更加合理，同时翅片管两侧存在回流的现象，这样不同程度地提高第一根、第二根翅片管的散热能力，同时减弱了第四根翅片管的散热效果。因此翅片管呈倒T型布置方式下可以考虑减少第四根翅片管，采用三根翅片管，这样对散热器性能影响较小，同时可以大幅度减小散热器尺寸，有效降低散热器生产成本。