李明;赵智强;徐明;侯昆;罗圆
【摘 要】为改善微通道冷凝器制冷剂侧的流动均匀性,提高换热能力,以扁管插入深度、入口管插入深度和入口管位置等参数为设计变量,流动均匀性、压降和出口温度为目标,采用Optimate+模块对三维冷凝器模型进行多目标多参数优化.采用定向网格对扁管进行网格处理,提高了网格的精度和计算速度.以VOF模型和蒸发冷凝模型进行冷凝器整体相变仿真分析,研究制冷剂在流道中流动的不均匀现象.结构优化后,最终使冷凝器的出口温度降低1.7K,压降减小39 kPa. 【期刊名称】《汽车工程》
【年(卷),期】2019(041)007
【总页数】7页(P851-857)
【关键词】微通道冷凝器;压降;流动均匀性;仿真;优化
【作 者】李明;赵智强;徐明;侯昆;罗圆
【作者单位】吉林大学,汽车仿真与控制国家重点实验室,长春130025;吉林大学汽车工程学院,长春130025;吉林大学,汽车仿真与控制国家重点实验室,长春130025;一汽轿车股份有限公司,长春130020;吉林大学汽车工程学院,长春130025;吉林大学汽车工程学院,长春130025
【正文语种】中 文
前言
平行流微通道冷凝器具有结构轻巧紧凑、换热量大等特点，目前已应用到大多数乘用车上，成为发展的主流趋势，但其换热机理、微通道设计和制造等方面还存在很多问题［1］。
Tian等［2］对冷媒压降和出口温度进行了研究，采用人工神经网络（ANN）对以R134a为工质的平行流冷凝器的热工性能进行预测，通过实验验证了该模型能在稳态条件下改变进气温度、速度、冷媒入口温度、压力和质量流量，其预测的换热量、出口制冷剂温度和压降是准确的，表现出良好的性能。Qi和Kwon等［3-4］研究了不同制冷剂对微通道冷凝器
性能的影响，结果表明，R410A冷凝器的散热性能比R22和R407C高12%～26%；在相同的质量流量下R410A冷凝器中的制冷剂侧压降趋势小于R22和R407C。黄劲等［5］通过一维计算、三维仿真、耦合优化结构和实验验证的多种方法，从不同角度对车用微通道冷凝器的整体性能进行分析，并对空气侧结构和扁管、集流管结构等进行分析和优化。Yang等［6］采用实验的方法，对垂直集流管水平扁管形式的流动不均匀性进行探究，得出双通道换热器换热能力以R410A为制冷剂时换热能力下降30%，以R134a为制冷剂时只下降5%，且其换热系数易受集流管结构和入口环境影响。Zou等［7］对多通道微通道换热器扁管中单相和两相流的压降进行了实验研究，提出了单相和两相流总压降的预测模型，对设计计算具有指导意义。Huang等［8］对制冷剂分布不均现象进行了研究，采用ε-NTU和CFD软件耦合方法对有无重力和空气流动是否均匀等条件下的单工质入口段进行研究，发现重力对液体流动有较大影响，对气体影响较小，并指出采用合适的求解器可计算两相流问题。针对制冷剂分布不均现象，Wang等［9］提出了一种用于预测多通道并联流动换热器流动分布和性能参数的数值模型，研究了冷凝器长径比、通道布置（通道数和各通道管数）和制冷剂质量流量对流动分布、传热和制冷剂侧压降的影响。由于微通道尺寸较小，它与常规通道的传热机理和压降特性差别较大，当制冷剂发生相变后，形成尺寸相当的涡流造成
中华民居能量的传递扰动增大［10］。国内外很多学者通过实验方法，分析总结了一定范围内换热和流动规律，提出了一部分经验公式。由于相变机理复杂、设计参数多样，经验公式虽可进行部分换热计算，但远达不到传统通道计算公式的普适性。同时由于实验的工质通道几何尺寸壁面条件和压力不同，换热效果也各不相同。依靠实验研究换热特性太过繁杂，而经验公式对微通道计算的通用性不强，因此采用CFD软件分析方法大有应用前景。
本文中通过CFD仿真软件STAR-CCM＋12.02对R134a在微通道冷凝器中的整个流程进行仿真模拟，通过绘制等效数模、划分网格和模型选择等步骤对整个微通道冷凝器开展详细的三维仿真，并对入口段进行了优化。对于全面认识微通道冷凝器内的制冷剂分布和状态进行创新，提高仿真计算的准确性。通过该方法缩短冷凝器结构设计周期，降低成本，以利于后续的开发和使用。
1 研究方法介绍
1.1 冷凝器三维建模
本文中研究的冷凝器尺寸为长640 mm×宽360 mm×厚12 mm的四流程（18-11-7-6）微通
道结构冷凝器。它主要包括：百叶窗翅片、扁管、集流管、挡板和出入口等结构。冷凝器制冷剂侧结构主要为内部含有微小通道的细长扁管，扁管宽度为12 mm，扁管高度为1.4 mm，扁管筋厚为0.35 mm，扁管间距为8.5 mm。通道宽度为1.2 mm，通道高度为1.0 mm。微通道冷凝器的扁管模型示意图如图1所示。集流管为圆柱结构，内径为 16 mm，壁厚1 mm，长度为400 mm。
图1 微通道冷凝器的扁管示意图
1.2 网格与模型处理
空气侧换热等效方法：由于翅片百叶窗尺寸小，所需网格数量巨大，这给计算和划分网格带来很大困难，此模拟中将去除空气侧部分结构，根据空气侧换热系数计算相应的等效换热系数，并赋值到扁管壁面进行模拟分析。虽然空气侧模型结构复杂，但百叶窗翅片和扁管分布都是有规律的，对于空气侧仿真分析，由于每排翅片之间产生的风阻在原理上属于并联关系，考虑到收敛速度和边界误差，采用3个翅片进行仿真研究，空气侧的三维建模和CFD仿真模型分别如图2和图3所示。
soa 案例
图2 扁管翅片百叶窗模型
空气侧模拟分为翅片扁管区域（固体区）和空气流动区域（流体区），采用三维建模软件CATIA建模，固体区包括百叶窗翅片和平板代替的扁管，固体区域的材料为铝合金，导热系数为226 W／（m·K），流体区为空气流动区域。经过仿真计算得知，空气侧的换热系数为103.5 W／（m2·K），该数据在后续的制冷剂侧仿真过程中将以对流的方式加到扁管区域上。
图3 流体区和固体区模型
集流管和出入口部分采用计算精度较高的多面体网格进行划分，以减少网格数量；对形状规则而狭长的扁管和流道部分尝试采用定向网格进行划分，即在扁管端面处采用多面体网格，同时将扁管长度方向划分为600层，使整体网格形成层状多面体结构，同时在流道处也加设了边界层网格，这样局部网格精度得到保证，而整体网格数又不至于过于庞大，网格具体尺寸如表1所示。加上该网格生成速度迅速，占用内存较小，使仿真计算的速度和准确度得到保障。
表1 网格尺寸分类整体尺寸 扁管流道尺寸 边界层最大：3 mm 最大：0.3 mm 厚度：0.1 mm最小：0.3 mm 最小：0.1 mm 层数：2增长比：1.2
根据以上网格划分原则，对冷凝器制冷剂侧网格进行生成，最终网格数为1 480万体网格，如图4所示。该网格生成速度较快，网格整体划分较为合理，为仿真计算的准确度提供了有力的支撑。
图4 冷凝器整体及局部网格
1.3 制冷剂热物性模型
dahuangya
本文中所采用的制冷剂为R134a，分子式为CH2 FCF3，不含氯原子，具有良好的安全性能。CFD仿真中材料设置所需的物性（如比热、黏度、密度、导热系数等）均源自Refprop9.0，采用曲线拟合法将各参数表示为关于饱和温度T的函数，以318～338 K温度变化范围，得出下列关联式。
钢结构阻尼比（1）液相关系式
2008年国务院机构改革密度 ρ（kg／m3）：
定压比热 Cp（J／（kg·K））：
导热系数 λ（W／（m·K））：
开封市人事局
黏度 μ（Pa·s）：
（2）气相关系式
密度 ρ（kg／m3）：
定压比热 Cp（J／（kg·K））：
导热系数 λ（W／（m·K））：
黏度 μ（Pa·s）：
1.4 计算模型及边界条件设置
1.4.1 计算模型的选择
选用模型主要包括：定常模型、欧拉多相流模型、流体容积（volume of fluid，VOF）模型、相与相相互作用模型、重力模型、分离多相流模型、蒸发冷凝模型、湍流模型和可实
现的k-ε模型等。
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