技术：异形孔导流结构板翅换热器传热特性

       目前，国内外一些研究分别从板翅换热器翅片结构、流体流动以及导流结构优化等多个方向，证明了导流结构对流体均布以及换热器强化传热特性具有非常重要的影响。本期，我们就针对导流结构来探讨下异形孔导流结构板翅换热器内部流体流动与传热特性。

（仅为示意图，不对应文中任何产品）

1、异形孔导流结构特点  

 

流体流动速度矢量变化设计的异形孔导流结构具有以下特点 :

( 1) 异形孔导流结构改变流体流动，提升流体均匀性  

异形孔导流结构设计主要考虑了空间尺度上各监测点附近的流体速度分布，针对监测到的流体速度大小与速度方向变化，对传统导流结构孔形进行改进。改进后得到的异形孔孔形结构可以促进流体流量均衡，提升板翅换热器入口位置流体分布的均匀性。

( 2) 异形孔导流结构促进热量平衡，提升换热器传热性能  

异形孔导流结构的孔形设计原则是流体流量均衡，采用了异形孔导流结构后，入口位置流体的涡流流动性降低，减少了流体动能损失。此外，经过导流结构的流体均匀分布程度得到了提升，可促进同层翅片不同流道内部流体流量均衡，加速各流道内部流体热量交换，实现换热器传热性能的提升。

2、板翅换热器异形孔结构  

 

板翅换热器主要由翅片、隔板与封条组成，多层翅片相互叠加形成一个换热单元。相比传统圆孔结构，异形孔分配器结构孔形曲线与流体流动对应，异形孔结构选取的评价标准为经过导流结构之后的流体流量的均匀程度。

异形孔结构设计过程中各流道内部流体流量表示为：

异形孔导流结构下，流体微团运动如图 1 所示。  

沿主流方向，流体存在一定程度的结构不一致，引起流体微团在导流板附近的流体微团流动速度产生一定 程度的横向速度分量，造成导流板孔型附近的流体速度分布不均匀。

对各流体微团速度进行分解，如图 2 所示。

其中， P 表示各检测点位置， v 表示各监测点附近的流体速度， v' 、 v ! 表示速度在不同方向上的分量， O 表示采用传统圆孔结构的中心位置。在传统圆孔导流结构的基础上，结合各监测点速度变化，得出异形孔孔形曲线。其中，各检测点位置沿流道方向的速度矢量可以表示为：

3、异形孔结构下板翅换热器出口位置流体流动计算  

 

3. 1 出口位置流体流动与传热计算

通过改变异形孔导流结构孔形曲线的方式，改变流体在换热器入口位置的均匀分布程度，进而影响换热器整体的传热性能。

本文作者在对板翅换热器入口分配器异形孔结构下流体流动以及热量传热影响问题进行分析之前，提出如下假设 :

( 1)   入口初始位置流体分布均匀   ;

( 2) 流体为单相流;

( 3) 入口位置翅片排列均匀;

( 4) 板翅换热器翅片与隔板导热均匀;

( 5) 忽略导流结构厚度对流体流动影响;

( 6) 忽略流体冲击引起的导流结构变形;

( 7) 忽略壁面与外界导热;

( 8) 板翅换热器导流结构孔间距均衡。

3. 2 异形孔结构出口位置流体均布与传热性能评价  

为更好地研究板翅换热器异形孔导流结构对换热器入口位置流体均布以及传热性能的影响，采用换热器性能与能耗比对换热器性能进行评价。导流结构下换热器性能与能耗比的计算如下 :

4、异形孔结构的流体流动特性分析  

 

结合图 1 中的分析模型，设置板翅换热器入口结构尺寸以及入口流体流动参数如表 1 所示。

根据表 1 中的板翅换热器结构与流体参数，计算换热器入口位置流体雷诺数Ｒ e = 6. 79×106 并设计板翅换热器模型。同时，调整换热器基圆上不同监测点的位置，获得各监测点流体速度分量与坐标轴夹角。

通过计算，得到异形孔孔形曲线权重因子，进而完成板翅换热器异形孔结构 1 /4 段曲线设计。图 3 、图 4 分别给出了板翅换热器异形孔与圆孔不同孔形导流结构模型。

可以看出 : 

异形孔导流结构孔形主要取决于各监测点附近的流体横向速度 ( vx ) 分布，不同流体横向速度 ( vx ) 导致孔形结构发生较大变化。针对不同孔形导流结构进行分析，得出板翅换热器不同孔形导流结构入口位置流场与速度场分布。  

4. 1 异形孔结构的流体速度分析   

针对板翅换热器异形孔导流结构开展相关分析，着重分析不同孔形结构时流体流动速度变化，结果如图 5 、图 6 所示。图 5 所示为板翅换热器圆孔导流结构与异形孔导流结构下，板翅换热器出口位置流体速度分布云图 ( xoz 面 ) 。

对比图 6 可以看出，相同位置的圆孔导流结构附近的流体流动速度较为集中，异形孔导流结构在设计过程中充分考虑了不同检测位置下流体速度的变化，因此流体流动过程中其流体均匀分布程度明显优于圆孔导流结构。

图 7 所示为板翅换热器圆孔与异形孔导流结构入口位置与出口位置速度分布曲线 ( xoy 面 ) 。可以看出采用异形孔导流结构，换热器出口位置流体速度均值降低，速度分布更加均衡。

4. 2 异形孔结构特征的流体压力分析

板翅换热器不同导流结构可改变流体流动方式，提升流体流动均匀分布程度，合理孔形的导流结构不仅可以提升换热器的均布性，同时也能引起换热器压降的改变，减小换热器能耗。

图 8 、图 9 给出了不同工况条件下板翅换热器入口位置压力变化云图 ( xoz 面 ) 。可以看出 : 圆孔形导流结构由于存在流体的冲击作用导致正对入口位置处压力较大，压力沿中心位置向四周扩散 ; 异形孔导流结构由于孔形与入口中心不对应，流体的冲击作用较弱，压力沿中心向四周扩散程度较弱，异形孔周围压力分布均匀程度优于圆孔。

图 10 所示为板翅换热器圆孔与异形孔导流结构出口位置流体动态压力分布对比结果 ( xoy 面 ) 。可以看出 : 在相同入口条件下，圆孔导流结构板翅换热器出口位置的压力变化高于异形孔导流结构。

分析两种不同导流结构可以发现 : 产生上述情况的主要原因是异形孔导流结构存在一定程度的流体冲击，可缓解 异形孔附近流体流动作用，提升流体流动均布程度，异形孔附近压力分布较为均衡 ; 相比之下，圆孔导流结构附近流体冲击作用较小，流量均布性差异较大。 因此，圆孔导流结构局部位置压力变化较大。对比异形孔与圆孔导流结构可以看出，异形孔导流结构下流体均匀分布程度较好，流体压力分布较为均衡。

4. 3 异形孔结构传热分析

分析板翅换热器不同导流结构对流体均布性的影响可以发现，板翅换热器圆孔导流结构与异形孔导流结构改变换热器流体均匀分布。

其中，圆孔导流结构可以通过不同圆孔的排列方式提升流体均匀分布程度，而设计异形孔导流结构时是直接针对每一个孔的形状进行分析，在充分考虑各异形孔附近流体速度变化的基础上，完成的结构设计。异形孔导流结构改变了传统圆孔导流结构孔形的方式，提升了流体均布性以及换热器传热效率。

图 11— 图 13 分别给出了圆孔导流结构与异形孔导流结构换热器的传热特性分析结果。由图 11— 图 12 可以看出 : 与圆孔导流结构相比，异形孔导流结构换热器内部流体总焓分布更均匀，异形孔对流体冲击的缓和导致局部总焓分布更均衡。

由图 13 可以看出 : 在相同入口条件下，异形孔导流结构与圆孔形导流结构板翅换热器入口总焓几乎无明显变化，而在出口位置由于孔形不同，导致出口总焓变化较大 ; 与圆孔导流结构相比，异形孔导流结构板翅换热器出口位置总焓降低表明其热量降低的速度优于圆孔导流结构。

4. 4 不同导流结构换热器流体均布评价

设计板翅换热器入口异形孔导流结构主要目的是提升换热器入口位置流体均匀分布程度。因此，在相同入口条件下，计算异形孔导流结构板翅换热器出口位置流体速度分布，结果为：

同理，计算传统圆孔形导流结构板翅换热器出口流体均匀分布程度 :

由上述计算结果可以看出 : 异形孔导流结构可使板翅换热器内部流体流动均匀分布程度提升，流体速度均方差较小，表明流   体流动的均匀分布得到一定程度的提升。与异形孔导流结构相比，采用圆孔形导流结构的板翅换热器出口流体均匀分布均方差较大，表明出口位置流体速度离散程度较高，流体均匀分布程度较差。

针对板翅换热器圆孔与异形孔导流结构对流体流动与换热能耗综合影响的问题，分别计算不同导流结构下流体流动特性评价参数 : 异形孔导流结构下，板翅换热器入口导流结构性能评价参数计算公式如下 :

从上述计算结果中可以看出，异形孔导流结构可以在一定程度上提升换热器流体均匀分布程度，但是同时改变了传统导流结构流体流动方式，会引起一定程度的流体冲击。因此，在异形孔导流结构下，流体流动过程中的压降变化较大。可以看出，单一异形导流结构不能很好地平衡流体均布、流体热量传递与压降变化三者之间的关系，因此需要根据不同工况条件采用合适的优化方法对异形孔导流结构进行优化，以改善换热器热压比、提升换热器的传热性能。

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