基金项目：河南省杰出人才创新基金项目（0621001600）
第一作者简介:王 丹（1983-）女，河南安阳人，郑州大学博士研究生，主要从事换热设备数值模拟及强化传热研究，E-mail: wangdan309@https://www.doczj.com/doc/6d11543550.html,.
中国工程热物理学会 传热传质学 学术会议论文 编号：103207
车辆散热器耦合传热模拟研究
王 丹，董其伍，刘敏珊
（郑州大学 河南省过程传热与节能重点实验室，河南 郑州 450002）
（Tel:0371-********,E-mail:wangdan309@https://www.doczj.com/doc/6d11543550.html, ）
摘 要： 通过合理简化，建立了车辆用百叶窗翅片散热器的耦合传热模型，利用大型CFD 软件FLUENT 对具有不同结构参数的百叶窗散热器的流体流动和传热性能进行模拟研究。将数值模拟结果与文献试验关联式计算结果进行对比，验证了数值模拟方法的正确性。分析了百叶窗翅片主要结构参数：百叶窗间距，百叶窗倾角，翅片间距，翅片宽度等对传热因子
j 和摩擦因子f
的影响，并利用公式1/3j /f 计算了其流
体流动和传热的综合性能。
关键词； 车辆散热器; 百叶窗翅片; 耦合传热; 传热因子; 摩擦因子 中图分类号：TK172 文献标识码：A
Numerical Simulation Research on Coupled Heat Transfer of Vehicle Radiator
WANG Dan, DONG Qi-wu , LIU Min-shan
(Key Laboratory of Process Heat Transfer and Energy Saving of Henan Province, Zhengzhou University,
Zhengzhou, 450002, China)
（Tel:0371-********,E-mail:wangdan309@https://www.doczj.com/doc/6d11543550.html, ）
Abstract: Numerical simulations on the louvered fin vehicle radiator were carried out using coupled heat transfer model with the CFD software FLUENT. The characteristics of the fluid flow and heat transfer in the louvered fin radiator under different geometrical parameters were analyzed. The numerical simulation results were compared with experiment correlations results, and the accuracy of the numerical simulation results are verified .The effects of mainly structure parameters such as ：louver pitch, louver angle, fin pitch, fin width on Colburn factor j and friction factor f were analyzed. And the comprehensive performance was evaluated by calculating 1/3j /f . Keywords: Vehicle radiator; Louvered fin; Coupled heat transfer; Colburn factor; Friction factor
0前 言
散热器是工程机械冷却系统中不可缺少的一个组成部分，随着汽车工业和机械工业的发展，各种类型、用途的工程机械不断涌现，为了适应大功率发动机的发展，对相应散热器的优化提出了越来越高的要求。百叶窗翅片是目前车用换热器上公认的最具有强化传热性能的翅片，在车用换热器上有着广泛的应用，如车用水箱散热器、增压中冷器、风冷式液油冷器及汽车空调的冷凝器和蒸发器等。
百叶窗散热器所用材料有铜材或铝材，从结构形式上看，散热器主要有以下几种类型：管片式、管带式、管芯式、板翅式。其中管片式散热器具有散热效率高、便于组织流水线生产等优点，是目前国内主要采用的结构形式。
国内外许多学者对百叶窗散热器进行了大量的试验研究，并在试验的基础上整理得到一
些计算流动和传热性能的经验公式[1-4]
，但是其流道结构复杂，很难用试验的方法准确测定其内部流场结构。本文利用计算流体动力学方法对常用的百叶窗式散热器的空气流动特性进行了数值仿真计算，分析了其内部流动特性，在此基础上进一步分析了百叶窗汽车散热器的不同结构参数对流体流动特性的影响。
1 数值模拟研究
百叶窗散热器由扁管和翅片逐层叠放，然后整体焊接而成。图1为百叶窗散热器的结构简图，空气流动方向为x 轴方向，翅片沿y 轴方向呈波纹状延伸。散热器的高温液体在扁管
内流动，通过管壁和翅片的导热过程将热量传递到翅片表面，冷却空气流经百叶窗翅片间流道，通过与扁管及翅片表面间的对流换热将热量带走。
百叶窗翅片属于间断式翅片表面，将翅片表面沿气流方向逐渐断开，以阻止翅片表面空气层流边界层的发展，使边界层在各表面不断地破坏，又在下一个冲条形成新的边界层，不断利用冲条的前缘效应，达到强化传热的目的，百叶窗翅片散热器主要结构参数如图2所示。
百叶窗
扁管
空气流动 翅片
图 1百叶窗散热器结构简图 图 2百叶窗翅片结构参数
Fig. 1 Sketch of louvered fin radiator Fig. 2 Geometrical parameters of louvered fin
假设每个翅片间流道是均匀的，且扁管间距相等，忽略扁管侧对空气侧流动的影响，简化后的翅片耦合传热单元模型如图3所示。将单元流道模型进出口段进行加长，保证进口来
流速度均匀，出口流体无回流现象。
进口
对称面
周期面
壁面
出口
耦合面
图 3百叶窗翅片计算模型
Fig. 3 Computational model of louvered fin
1.1 理论基础
不计体积力时流体流动的控制方程为[5]：
连续方程：
0u v w
x y z
???++=??? （1）
动量方程：
222222222
222222222u u u p
u u u u v w x y z x x y
z v v v p
v v v u v w x y z y x y z w w w p w w w u
v w x y z z x
y z ρμρμρμ???????????++=-+++ ?
???????????????????????++=-+++ ? ???????????????????????++=-+++ ? ???????????? （2）
能量方程：
222222p T T T T T T c u
v w x y z x
y z ρλ??????????++=++ ? ??????????? （3） 固体部分（导热方程）：
022222
2
=??+??+??z
t y t x t （4） 液固耦合部分，耦合边界上的温度连续，满足第3类边界条件：
21w w t t = （5） ()21f w w
t t h n t -=??? ????-λ
（6） 1.2 几何模型的建立
计算采用三维直角坐标求解，假设空气为不可压缩气体，流动为定常流，物性参数为常数，忽略空气重力的影响。固体部分材质为铝。为了减少单元流道模型的总体网格数量，取
扁管间单元的一半为计算区域，中间面设定为对称面。
单元流道进口采用速度进口，假设入口速度为均匀来流，设定流体进口温度，0u =u ，v =w=0，i T =300K ，模型操作条件为标准大气压，出口设定为压力出口边界条件，单元
模型的上下面设定为周期性边界条件()()x,y,z x,y Fp,z φφ=+，冷却壁面设定为恒壁温
w T 350K =，对称面设定为对称边界条件
0,w 0z
φ?==?，固体和液体区域交界面设定为耦合传
热面。
计算之前首先对模型网格进行独立性检查，采用疏密程度不同的网格对模型进行网格质量考核，当所计算的流体压降和传热量其数值解偏差不超过1.5%，即认为应用此网格可以获得网格独立的解。最后确定流体和固体部分网格均采用面网格为0.1mm 的结构化棱柱体单元进行划分，本文的单元流道模型网格最多大约为116.8万。
计算的流体流动均在层流状态下，在计算过程中采用离散求解器和标准层流模型，压力和速度耦合采用SIMPLE 算法，动量和能量方程离散采用二阶迎风差分格式。采用标准化残差的形式来判断计算方程的收敛性，残差精度分别取：连续性方程、动量方程残差均为10-4，能量方程残差为10-7[6]。
2 数值模拟正确性验证
董军启[7]搭建了风洞试验台，通过试验研究获得了百叶窗翅片表面的试验关联式如下：
0.5177
1.9045
1.7159
0.2147
0.05
0.257
Fp Fh Lh Ld 0.1944j 0.2671Re
90Lp Lp Lp Lp Lp θ
δ-----=????????????
? ? ? ? ? ???
??
??
??
??
??
（7）
-0.99250.5458-0.20030.0688
0.444θFp Fh Lh Ld -0.3068f =0.545Re 90Lp Lp Lp Lp ?????????? ? ? ? ? ?
??????????
（8）
其中雷诺数Re 的定义以开窗间距Lp 为定性尺寸。为了验证本文数值模拟结果的正确
性，将数值模型的参数 1.2mm Lp =， 2.5mm Fp =，25θ=度，8.0mm Fh =，0.2mm δ=代入试验关联式，数值模拟计算结果与试验关联式对比结果如图4所示。传热因子j 的表达式为
2/3
p
h j =
Pr
ρu c ，其中h 为百叶窗翅片的传热系数W/(m 2·K)，摩擦因子f 的表达式为
c c e 2o A 2p f k k A u ?ρ????=-- ? ?
????
，根据文献[8]介绍：c o A ,A 分别为气流流速最大的流通面积和空气侧总换热表面积，c e k ,k 为冷却空气进出试件由于流通面积的突缩和突扩而产生的压力损失系数。 由图4可以看出，在Re 数100-700内，对于百叶窗散热器，传热因子j 最大误差为-15.8%，摩擦因子f 最大误差为-9.3%,两者都出现在Re 数100时。误差产生的主要原因是经验公式来源于试验研究，数值模拟模型并不能做到与试验模型完全一致，数值模拟采用了一些简化的假设，如假设空气为常物性，假设模型中间截面为对称边界条件，这些假设在试验研究中均难以实现。
由以上分析表明，本文所提出的计算模型计算精度满足工程实际的需要，可以用以进一步分析散热器中结构参数对于流体的流动与传热性能的影响。
Re 数
j 因子
f 因子
图 4试验关联式和数值模拟结果比较
Fig. 4 Comparison results of numerical simulations and experimental correlations
3 计算结果及分析
影响百叶窗散热器翅片侧流体流动和传热性能的主要结构参数有：百叶窗间距Lp ，百叶窗角度θ，翅片间距Fp ，翅片宽度Fh ，对上述主要几何参数分别取不同的数值，如表1所示，得到流体在不同几何参数组成的流道内的传热因子j 和摩擦因子f ，通过计算1/3j /f 的值分析比较不同结构百叶窗翅片的流体流动和传热综合性能。
表 1百叶窗翅片的主要结构参数
Table 1 Mainly structure parameters of louvered fin
主要结构参数 不同数值 百叶窗间距Lp (mm)
1.0,1.2,1.5
翅片间距Fp (mm) 2.0,2.25,2.5
百叶窗倾斜角度θ(度)
22,25,28 翅片宽度Fh (mm)
6.0,8.0,10.0 3.1 百叶窗间距Lp 的影响
首先保持其他结构参数不变，对3种不同百叶窗间距的翅片进行数值模拟，得出此3种情况下百叶窗翅片的传热因子j 和摩擦因子f 随Re 数的变化曲线如图5所示。
Re 数
j 因子
f 因子
图 5不同百叶窗间距时
j 因子和f
因子比较
Fig. 5 Comparison of
j factor and f
factor on different louver pitch
由图5可以看出，百叶窗翅片传热因子j 和摩擦因子f 值均随雷诺数的增加而减小，由于雷诺数是以百叶窗间距为定性尺寸，在同一雷诺数下，百叶窗间距增大，流体速度减小，j 因子增大f 因子减小。通过计算3种情况下1/3j /f 的值，发现百叶窗间距为1.0mm 时翅片的综合性能最好。 3.2 百叶窗倾斜角度θ的影响
改变百叶窗的倾斜角度θ，计算不同百叶窗倾角对于翅片传热因子j 和摩擦因子f 的影响。计算结果如图6所示。
Re 数
j 因子
f 因子
图 6不同百叶窗倾角时
j 因子和f
因子比较
Fig. 6 Comparison of
j factor and f
factor on different louver angle
由图6可以看出，百叶窗倾角增大，流体传热因子j 和摩擦因子f 均增大。通过计算3种情况下1/3j /f 的值，发现百叶窗倾角为22度时翅片的综合性能最好。 3.3 翅片间距Fp 的影响
保持百叶窗翅片其他结构参数不变，改变翅片间距Fp ，计算不同雷诺数下翅片间距对
于翅片传热因子j 和摩擦因子f 的影响如图7所示。
Re 数
j 因子
f 因子
图 7不同翅片间距时
j 因子和f 因子比较
Fig. 7 Comparison of
j factor and
j factor on different fin pitch
由图7可以看出，不同翅片间距的传热因子和摩擦因子均随雷诺数的增大而减小，相同Re 数下，随着翅片间距增大，流体进口速度减小，故百叶窗翅片的传热因子和摩擦因子均减小。通过计算3种情况下1/3j /f 的值，发现翅片间距为2.5mm 时翅片的综合性能最好。 3.4
翅片宽度Fh 的影响
图8为不同翅片宽度下，翅片传热因子j 和摩擦因子f 随雷诺数的变化曲线图。
Re 数
j 因子
f 因子
图 8不同翅片宽度时
j 因子和f 因子比较
Fig. 8 Comparison of j factor and f factor on different fin width
由图8可以看出，同一雷诺数下，传热因子j 随着翅片宽度的增加而增大，而摩擦因子
随着翅片宽度的增加而减小，通过计算1/3j /f 的值，发现翅片宽度为10.0mm 时翅片的综合性能最好。
4 结论
本文利用大型CFD 软件建立了车辆用百叶窗翅片散热器内翅片导热与空气对流换热的耦合传热模型，将数值模拟结果与试验关联式计算结果相比，验证了数值计算的正确性。对影响百叶窗翅片性能的主要结构参数进行分析，比较了不同结构百叶窗翅片的综合性能，文中所得结论对于百叶窗翅片散热器的优化设计提供了参考。 参 考 文 献：
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[4] Dong J-Q, Chen J-P, Chen Z-J, et al. Heat transfer and pressure drop correlations for the multi-louvered fin
compact heat exchangers[J]. Energy Conversion and Management. 2007,48:1506–1515. [5] 陶文铨. 数值传热学（第2版）[M]. 西安: 西安交通大学出版社, 2001.
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