[狄义波]
涉日[英格索兰亚太研发中心，215000]
[ [ 摘摘 要要 ]
] 本文基于ANSYS 仿真软件，建立了常规微通道换热器空气侧翅片的对流换热模型，并用结合实验加以检验。该模型的给出的j 和f 因子与实验数据吻合良好，尤其在翅片典型的工作区间 (Re 数500至1000)。应用该模型的建模方式，分析了某新型翅片的压降与换热性能。该翅片
与常规开窗翅片相比具有结构简单，易于制造的优势，同时仿真结果表明：这种新型翅片有着
极低的摩擦因子f 和接近常规翅片的换热因子j，以及更好的翅片效率(f/j)。
[ [ 关键词关键词关键词 ] 微通道换热器，开窗翅片， CFD 仿真, 换热因子，摩擦因子
Performance study on a new fin of
Micro-channel heat exchanger
[Di Yi Bo]
[IRETC-AP, 215000]
[ [ Abstract Abstract Abstract ] In this paper, a CFD model is built to predict the air-side heat transfer and pressure
drop of Micro-channel heat exchanger and test is conducted to validate the approach.
CFD results give a good agreement of j and f factor, especially in typical Re number
range (500 to 1000) where MCHE normally works. The approach is used to analyze the
performance of pressure drop and heat transfer of a new fin. This fin has a large
advantage in manufacturing because of simpler geometry. And CFD results further shows
that this fin has an extremely low f factor and almost same level j factor, thus better
fin efficiency (f/j).
[ Keyword ]
[ Keyword ] Micro-channel heat exchanger, louver fin, CFD simulation, j factor, f factor 1 前言
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。 高效的换热性能，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：
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
[1]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 [2]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. [3] 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 [4]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. [5] 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[6]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[7]等人通过对13个微通道冷凝
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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 [8]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。
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13 mm，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.
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冷弯管
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。
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。
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。
图6. CFD 仿真结果与测试结果之间关于j 和f 因子的比较
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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
我们想去的地方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。
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
从武侠到玄幻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
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