车载紧凑式换热器高效轻质的性能优化研究

杨佳琪,曹元福,姜涛,李明佳

(1. 西安交通大学能源与动力工程学院,710049,西安; 2. 中国北方车辆研究所,100072,北京; 3. 北京理工大学机械与车辆学院,100081,北京)

车载紧凑式换热器是发动机冷却系统中实现热量交换的关键设备。随着散热需求的日益增长与布置空间的愈加有限[1-3],对车载换热器高效、轻质、经济的需求更加迫切[4-6]。在紧凑式换热器中,锯齿型板翅式换热器具有传热效率高、污染率低、承压能力强[7-8]等优点,能够满足现有车载应用场景中对换热器尺寸与性能的需求。

为进一步提出具有更高传热性能、更低阻力损失与制造成本的锯齿型板翅式换热器,国内外学者分别从设计理论、规律分析与性能优化3个方面开展了相关的理论与实验研究。在设计理论方面,陶文铨和何雅玲等[9]提出了换热器流路优化布置和设计的五大原则,即场协同原理、等热流密度原则、纯逆流原则、减少翅片间的逆向导热原则以及重力作用影响原则,为换热器设计提供了一种优化理论及方法。何雅玲和陶文铨等[10-12]进一步提出三场协同理论与三场协同的性能测试和评价方法,该方法可以定量反映出优化构型在等泵功、等压降或等流量约束条件下性能的提升,并在三场协同原理指导下,实现换热器的性能优化及优化构型的快速选取,该评价方法的使用详见国家标准[13]。以上理论为换热器的性能提升和优化设计提供了很好的指导。在规律分析方面,Vangeffelen等[14]基于大量仿真数据,获得了空气和水在锯齿型翅片微通道中的Nu关联式,并探究了锯齿型翅片几何参数对Nu的影响规律。Yang等[15]对18组不同尺寸的锯齿型翅片进行实验测试,并结合翅片效率对已有关联式进行了修正。针对已有关联式无法准确预测低温氦气在锯齿型翅片通道内传热与流动性能这一问题,Jiang等[16]基于实验与仿真数据进行正交试验设计,并提出了新的流动换热关联式。在锯齿型翅片换热器性能优化方面,Li等[17]采用响应面模型与多目标遗传算法,以传热、流阻与应力为优化目标,对工质为液氮的锯齿型翅片换热器展开多目标优化研究。Zhang等[18]以小型液压动力单元锯齿型翅片换热器为研究对象,定义了换热器出口温度与压降的关联式和质量计算模型,基于此,利用遗传算法对换热器关键参数进行了多目标优化,提升了换热器的传热能力,降低了换热器总质量。Wen等[19]结合克里金模型与多目标遗传算法,以总热流量、年总成本和单元熵产为目标函数,对锯齿型翅片换热器的参数优化进行了研究。Jamil等[20]基于分析和换热器系统运行成本的计算模型,使用遗传算法对工质为空气的锯齿型翅片展开优化,最终实现了换热器系统运行成本的最小化。

在车载换热器应用研究方面,不仅应该关注换热器的传热与流动性能,还需考虑实际运行中结霜、尺寸、布局、质量等对汽车性能的影响。Hong等[21]为解决电动汽车中空气源热泵换热器结霜,从而导致换热器换热效率下降、流阻增加的问题,开发了一种平直型与百叶窗式相结合的新构型翅片。Yadav等[22]针对车载换热器尺寸过大、限制车内空间布局这一工程问题,将效能传热单元数法与遗传算法相结合,对应用于小型卡车的百叶窗式翅片换热器进行优化,提升了换热器的换热速率和紧凑度。Samiolo等[23]为降低电动跑车制造成本、提升车身气动性能,基于无翅片换热器提出了新的换热器布局方式,在降低成本的同时增大了车辆的阻力系数与升力系数。Kwon等[24]为提升车辆实际行驶中换热器的平均性能,在车辆动态运行的工况条件下,以传热速率、翅片效率、总质量为优化目标,优化了车载换热器的几何与工况参数。

结合上述分析,大多数文献中换热器的流动换热关联式涵盖的结构参数及运行参数范围有限,且缺乏车载有限空间背景下,换热器传热流动性能与整机质量的综合考虑与优化。鉴于此,本文从换热器高效轻质的性能需求出发,以高热流密度的车载板翅式换热器为研究对象,采用实验与仿真相结合的方法,获得了结构参数范围更加宽泛的流动换热关联式,并在此基础上,对锯齿型翅片的结构参数展开了性能优化研究,获得了车载锯齿型板翅式换热器综合性能优异的翅片结构参数。

1 实验介绍

图1 叉流板翅式换热器芯体结构示意图Fig.1 Diagram of the offset-strip plate-fin heat exchanger

为测试锯齿型板翅式换热器在某新型车辆有限空间内的传热与流动性能,在中国北方车辆研究所制造加工了空气-水板翅式换热器,并进行了实验测试。实验系统主要由水回路、空气回路、测试段与数据采集系统等组成。其中,空气回路主要由闭式循环风洞、空气冷却器、空气流量计等部件组成,为实验工件提供冷空气,且在实验过程中进气温度保持常温状态;水回路主要由循环泵、加热器与流量控制阀等部件组成,为实验工件提供热水。实验测试的叉流板翅式换热器的芯体结构如图1所示,芯体由锯齿型翅片与平直型翅片逐层堆叠形成,两种翅片通道由隔板隔开。实验时,热水和冷空气叉流流过板翅式换热器的锯齿型翅片通道和平直型翅片通道进行换热。其中,锯齿型翅片的几何结构如图2所示,平直型翅片的几何结构如图3所示。图中,l、h、s、t分别是锯齿型翅片节距、翅片高度、翅片间距、翅片厚度,δ1、δ2、δ3分别是平直型翅片高度、翅片间距、翅片厚度。

图2 锯齿型翅片几何结构示意图Fig.2 Geometric diagram of the offset strip fin

图3 平直型翅片几何结构示意图Fig.3 Geometric diagram of the plain fin

实验测试了4种不同翅片参数的空气-水板翅式换热器,且实验工件的整机尺寸保持不变。工件1～工件4的几何参数取值如表1所示。

表1 换热器实验工件的几何参数

表2给出了板翅式换热器的实验测试工况,也是车载应用场景中换热器的实际运行工况。通过实验测得板翅式换热器的出口温度和压降等参数,详见表3,进一步计算验证了空气侧和水侧的热平衡,误差在5%以内,证明了实验数据的可靠性。由于各实验工件仍具有一定的性能提升空间,因此本文的重点是针对实验测试的换热器进一步开展优化设计,实验系统及装置、实验数据处理方法以及实验不确定度分析等详细信息不做赘述。

表2 换热器实验工况参数

表3 换热器实验结果

在实验测试的换热器工件中,锯齿型翅片的结构参数变化范围有限,但换热器不同结构参数间的组合方式众多,如果逐一制造加工并进行实验测试,会耗费大量的成本与时间。因此,本文采用实验与数值模拟相结合的方法,以获得涵盖较宽结构参数范围的换热器流动换热关联式,为锯齿型板翅式换热器的优化设计提供参考。

2 数值方法及关联式

2.1 构建计算模型

考虑到板翅式换热器结构的周期性与对称性,同时为提升计算效率,针对锯齿型翅片单通道开展数值模拟研究,选取的锯齿型翅片通道单元如图4所示。为了消除入口效应和回流对结果的影响,分别在翅片通道物理模型的入口与出口设置进出流延长段[25]。

图4 锯齿翅片通道的物理模型Fig.4 Physical model of the offset strip fin channel

采用ANSYS FLUENT 22.0进行计算,模拟基于三维稳态流动假设,选用层流黏性模型。同时,边界条件采用速度入口、压力出口、上下恒温壁面、左右周期壁面。采用Coupled算法求解压力和速度的耦合关系,发现当残差达到10-6时,计算收敛。

使用FLUENT Meshing软件对模型进行网格划分。经验证,当网格数由2 058万增加至2 527.3万时,努塞尔数Nu与阻力系数f的变化幅度分别为1.89%和2.34%(Nu与f的计算方法可参见文献[26]),因此本文采用2 000万左右的网格数进行后续的仿真研究。本文将仿真结果与实验数据进行了对比,Nu的偏差在±4.3%以内,f的偏差在±6.8%以内,表明所采用的数值模型是可靠的。

2.2 锯齿型翅片换热器性能关联式

在实验工件的基础上,进一步扩大锯齿型翅片结构参数的设计范围,模拟获得了不同参数组合方案下换热器的传热与流动性能。同时,综合考虑了雷诺数Re和关键结构参数翅片节距l、翅片间距s、翅片厚度t,并将其各自除以通道长度Lair(此时气侧换热通道长度Lair为换热器芯体厚度H,取值140 mm)进行无量纲化,基于实验和仿真数据拟合获得空气侧Nu与f的关联式为

Nu=1.152Re0.339 2Pr0.400(l/Lair)-0.166 5·

(s/Lair)-0.039 31(t/Lair)0.028 39

(1)

f=76.63Re-0.480 0(l/Lair)-0.375 3·

(s/Lair)-0.351 2(t/Lair)0.960 0

(2)

式中:Re=900.0～2 400.0;Pr=0.703 7～0.704 2;l=3.0～10.0 mm;h=10.0 mm;s=1.50～2.25 mm;t=0.15～0.30 mm。

实验和仿真数据与关联式的对比结果如图5所示,其中Re并非影响Nu与f的单一变量。为了更加直观地表示Re与Nu和f间的关系,修正获得了Nugeo和fgeo(定义式可见图5)。新提出的换热器流动换热关联式,相比于实验工件,其结构参数范围更加宽泛且拟合精度良好,Nu的误差在-1.3～4.3%之间,f的误差在-9.7%～10.9%之间。

(a)Nu

(b)f

结合实验工件的几何结构特点,提出了换热器整机质量M的计算模型

(3)

由于本文重点关注锯齿型翅片的优化,因此参数L、W、H、ts、tb、δ1、δ2和δ3均保持不变。

3 结果与分析

3.1 多目标优化结果

基于2.2节获得的流动换热关联式与质量计算模型,采用NSGA Ⅱ算法开展锯齿型翅片参数的多目标优化研究。优化目标见式(4),各优化目标均包含4个优化参数Re、l、s和t。式(5)是多目标优化过程的约束条件,给定了参数的取值范围。各参数取值为

(4)

s.t. 900≤Re≤2 400;

3.0 mm≤l≤10.0 mm;

1.50 mm≤s≤2.25 mm;

0.15 mm≤t≤0.30 mm

(5)

NSGA Ⅱ优化算法流程如图6所示。通过多目标优化预实验,确定初始种群规模为900,迭代次数为400,变异概率为0.2,交叉概率为0.8。

图6 NSGA Ⅱ优化流程图Fig.6 Optimization flow chart for NSGA Ⅱ

多目标优化得到构成Pareto前沿的最优解集。为了更加直观定量地比较并筛选优化翅片与基准翅片通道在相同工况下的性能提升情况,将最优解集标定在表征温度、压力和速度三场协同性的传热与流动阻力综合性能评价图[13]中,如图7所示。该综合评价图以强化前后的Nue/Nu0为纵坐标,fe/f0为横坐标,分别在等泵功、等压降和等流量3种约束条件下,绘制三条基准线对综合性能评价图进行分区,其中区域1～区域4表征传热与阻力综合性能越来越好,即温度场、压力场和速度场之间的三场协同性越好,传热性能越好,流体阻力增加比越小,详见文献[13]。虽然实验工件4的综合性能较优,但仍具有一定的性能提升空间,因此本文以工件4为基准翅片,并在二维综合性能评价图的基础上,增加了表征M降低程度的z轴,以更加清晰地对比并指导高效、轻质换热器的选择。

图7 以Nu、f 和M为目标获得的Pareto 前沿Fig.7 The Pareto frontier obtained by targeting Nu, f and M

由图7可以看出,在Re为900～2 400的研究范围内,Nue/Nu0的变化范围为0.77～1.10,fe/f0的变化范围为0.54～1.86,Me/M0的变化范围为0.82～1.31。根据当前工程应用需求,在Nue/Nu0>1的强化传热区域内选择解集中M最小的解作为优化翅片的参数组合方案,其翅片参数如表4所示。

表4 多目标优化前后翅片参数对比

结合优化翅片的参数组合方案,绘制锯齿型翅片优化前、后的结构,如图8所示。图8仅示意两种翅片通道的局部结构,两种翅片通道在长度上按图示结构进行周期排布,且翅片通道总长度一致,均为140 mm。可以看出,优化后的翅片相比于基准翅片具有相对更短的节距、更宽的间距以及更薄的翅厚。

图8 优化前后翅片的结构对比Fig.8 Comparison of fin structure before and after optimization

3.2 传热与流动特性分析

为进一步验证翅片优化参数组合方案的有效性,同时探究换热器综合性能改善的原因,对两种翅片进行数值模拟(Re=2 000),并将其性能进行对比,结果如表5所示。由表5可知,优化翅片通道的Nu比基准翅片增加了5.2%,同时f降低了14.3%,η提升了10.7%,且M减轻了18.2%(即8.9 kg),换热器的综合性能得到了提升。

表5 多目标优化前后换热器性能对比

图9为优化翅片与基准翅片通道内的局部流线分布图。由图9可见,优化翅片通道内具有更小的流速,且速度均匀性更好,但二者的流线分布规律较为相似;在同一翅片周期内,空气来流冲击到翅片前端存在驻点,导致流速迅速降低后改变流动方向,空气流至两侧通道较窄的翅片交错区时,流体速度快速升高,此时改变流动方向的流束与翅片前端侧壁间存在流体脱离壁面的现象,并产生较小的涡旋,且基准翅片的涡旋区域明显大于优化翅片,造成了更多的能量损失;随着贴壁流动的重新进行,空气在翅片壁面处逐渐发展流动边界层后又在翅片末端被破坏;错列排放的翅片,使空气在截面宽度不断变化的通道内进行周期性流动。

图9 锯齿型翅片通道的流线分布Fig.9 Streamline distribution of offset strip fin

图10 锯齿型翅片通道的温度分布Fig.10 Temperature distribution of offset strip fin

图10和图11分别为优化翅片与基准翅片通道内局部温度和沿程Nu的分布情况。由图10可见,空气在锯齿型通道内的翅片前端,由于流速迅速增加以及微小涡旋的影响,温度边界层的厚度大幅减小,因此,更短的翅片节距不断加强流体扰动而强化了传热。同时,优化翅片具有更宽的间距和更薄的翅厚,宽间距导致通道中部的流体更难被高温翅片充分传热、薄翅厚导致流体扰动减弱,因此传热又被弱化。结合图11可以看出,优化翅片较短节距带来的强化传热效果与宽间距、薄翅厚的弱化传热效果相抵消,因此整体相对于基准翅片通道的传热性能几乎一致。同时两种翅片通道的Nu均在进口处最高,随后Nu沿翅片流动方向(y轴正向)与阵列方式呈周期性逐渐下降的趋势。

图11 锯齿型翅片的沿程Nu分布Fig.11 Distribution of Nu along the offset strip fin

图12和图13分别展示了优化翅片与基准翅片通道内的局部压力和沿程f的分布情况。由图12可以看出,锯齿型通道的阻力损失主要发生在翅片前端与翅片交错区,且优化翅片具有更小的阻力损失。结合图13发现,压力在翅片前端驻点附近明显降低,且流体在翅片尾部存在逆压梯度,导致f在翅片交接处先增大至峰值后又降低为负值。同时,优化翅片更短的节距,加强了流体扰动频率,f峰值出现的次数多于基准翅片,但是更宽的间距与更薄的翅厚大幅降低了流体的局部阻力损失,使得优化翅片通道f的峰值低于基准翅片。综合来看,优化翅片通道整体的流动性能显著改善。

图12 锯齿型翅片通道的压力分布Fig.12 Pressure distribution of offset strip fin

图13 锯齿型翅片的沿程f分布Fig.13 Distribution of f along the offset strip fin

结合上述分析以及换热器流动换热关联式可知,在本文研究的翅片参数范围内,l对换热器Nu的影响最为显著,且二者为反比例关系;s与t对f的影响远大于对Nu的影响,且s越大、t越小时,换热器的流动性能越好,单位体积内铝合金耗材越少,因此当前的翅片优化方案,在保证换热器良好换热性能的前提下,有效降低了f与M,验证了优化方案的可靠性,满足了工程应用需求。

4 结 论

(1)所提出的流动换热关联式,综合考虑了更宽范围的翅片结构参数且拟合精度良好,为新型车载有限空间内的紧凑式锯齿型板翅式换热器的设计与选型提供了依据。

(2)基于非支配排序遗传算法(NSGA Ⅱ),得到的锯齿型翅片参数组合方案为翅片节距l、翅片高度h、翅片间距s和翅片厚度t分别取3.4、10.0、2.25和0.15 mm。

(3)锯齿型翅片通道的传热强化与阻力损失主要发生于翅片的交错区,各几何参数的变化对各目标性能的影响相互冲突,最终优化得到的锯齿型板翅式换热器阻力系数f降低了14.3%,综合性能评价因子增加了10.7%,整机质量减少了18.2%,较好地实现了高效轻质的优化目标。