典型波纹翅片单元流动与传热特性的数值研究

198机械设计与制造M achi ner y D es i gn&M anuf act ur e第12期2010年12月文章编号：100l一3997(20l O)12一0198-02典型波纹翅片单元流动与传热特性的数值研究王维斌傅宪辉昊茂刚冯茺蔚牛洪成(山东省科学院工业节能研究中心，济南250103)N um e r．caI s t udy on f I ow a nd heat t r ans f er of t ypi caI uni t s w i t h w aV y f i ns W A N G W ei—bi n，F U X i an—hui，W U M ao—gang，FE N G C hon笤_’佗i，N IU H ong—cheng(I ndust ri a l E ner gy C on s ervat i o n R es ear ch C ent er of S h andon g A c adem y of Sci ence s，Ji’na I l250103，C hi na)中图分类号：TH l6。

T K l24文献标识码：A1引言对流换热及其强化一直是人们研究的重要课题。

由于空气热物性的限制，各类换热设备的热阻主要集中在管外，管外热阻占总热阻的(80~90獗凡为了强化管外空气的换热，人们加装了各种翅片来强化传热。

从最初的平直翅片，一直发展到后来的各种广泛应用于石油化工、制冷散热、能源动力、冶金等领域。

相对于乎直翘片，波纹形翅片的换热性能和流动阻力都有明显的提高日，因此波纹翅片在各类强化换热场合中的应用比较广．泛，也提研究关注的热点之一。

图l波纹翅片单元对翅片流场和传热特性的研究方法主要有实验和数值模拟，随着计算机应用技术的发展，数值模拟方法越来越完善成熟，为研究翅片的流动与传热特性提供了非常有效的手段。

如J蚰毋准Re= (40啦1200)s。

针对波纹翅片的高度和角度等参数对波纹翅片的流动和换热量的影响进行了三维数值模拟。

1如毒笋睬用数值模拟方法研究了几个典趔波纹角度对流动和传热特性的影响。

本文则对两种比较典型的人字形和波浪形波纹翅片单元的流动与传热特性进★来稿日期：20l咖2—22行数值模拟，研究了两种翅片单元在不同进口风速下的流场特性以及传热与阻力特性，两种翅片单元，如图1所示。

2数学模型与数值计算方法由于翅片结构的对称性，本文选取了波纹翅片的一个典型单元进行数值模拟，包括了翅片间流体与翅片壁面间的换热耦合计算，并对翅片单元的物理模型作出如下简化假设：(1)数值计算区域的流动和传热是稳态的；(2)忽略重力对流动和传热的影响；(3)空气为不可压缩流体；(4)空气和翅片的物性参数为常数；(5)不考虑翅片以及翅片基管面的辐射换热；(6)翅片的导热系数为常数，翅片与基管间没有接触热阻。

在上述简化条件下，对于不可压缩气体的二维定常流动而言，其控制方程分别为：连续性方程：V如U)印动量守恒方程：p眙V班弘V‘¨V P能量守恒方程：眙V z妇V‘r式中：嗍度；卜温度；础气密度；p—压强。

一力粘度；口—热扩散率。

为了边界条件实施的合理性，计算区域从翅片通道入口向上游以及从通道出口向下游分别延长了3倍翅片纵高的距离，网格划分如图2所示，网格密度进行了网格独立性考核，可以保证计算迭代收殓螂坞耍求。

而两科—翅片单元韵换热面积几乎—祥，以保证黼同换热第12期王维斌等：典型波纹翅片单元流动与传热特性的数值研究199面积的基础E 进行模拟结果的对比分析。

工质为空气，取7舄00K 时的物性参数，翅片表面温度取为800K ，主要是为了研究翅片与工质在较高温差下的传热特性(如脉动燃烧器魄觉溯管的散热)，其他各面均采用无滑移壁面条件，近壁区采用标准壁面函数法处理。

计算采用有限体积法完成控制方程的离散，对流项采用二阶迎风格式离散，扩散项采用中心差分格式离散，采用SI M P LE 算法实现速度与压力之间的耦合。

通道内的流动简化为二维常物性稳态流动，采用R N G ^P 湍流模型，因为该湍流模型能够较好得捕捉流场中的漩涡特性。

对数值计算定义能量方程残差值小于l a r6，其他变量残差指小于10r 3时计算收敛。

图2两种翅片单元计算区域的网格划分3数值计算结果与分析3．1流场特性如图3所示，为风速l O Ⅱ如时的速度矢量图，可以看出，在两种波纹翅片的拐角之间存‘在明显的横向涡，在离开翅片的背风面时脱落。

这科I i 旋涡的产生与消散使得波纹翅片的局部换热系数与流阻相对于平面翅片都有大幅度的上升％相对于平直翅片，波纹翅片周围的流场发生了很大的变化，体现了波纹翅片对流场的扰动作用，而流动不能在拐角处沿着翅片表面充分转向是产生横向涡的主要原因翻，从速度矢量图中的翅片拐角处可以看到明显的切向速度分布。

由于波浪形翅片拐角比较平滑，使其拐角处的速度高于人字形翅片，这对两者的传热和阻力特性有着重要影响。

图3两种翅片单元的速度矢量图如图4所示，为压力分布云图，可以看出，两种翅片的压力极大值出现在拐角上游和翅片的前缘，而极小值出现在拐角下游和翅片的后缘，在翅片单元的背风侧存在明显的低压区，这是因为背风侧漩涡的存在使流速增加，扰动增强，压力相应低于迎风侧。

正是由于这种压差的存在，才使得翅片周围产生漩涡，涡流冲击翅片表面改变了翅片表面的速度梯艘印，从而增强了波纹翅片的传热特性。

图4两种翅片单元的压力分布云图3．2传热特性如图5所示，为不同进口风速下，翅片平均传热系数和N us s el t 数的比较，可以看出，随着入口风速的增大，加大了空气在翅片表面的扰动，增强了翅片表面的换热效率，相应的传热系数和N u 数也随之增加，并目．基本匕．呈线性关系；另—方面，从人字形和波浪形翅片单元的对比可以明显看出，在相同流速下，人字形翅片的换热效率较高，并且随着流速白钠勤Ⅱ，其优势更加明显。

为了解释这种现象，本文捕捉了两种翅片单元流场中涡量的分布，如图6所示。

可以看出，人字形翅片背风侧存在的涡流可以形成完整的回流，并耳贴壁性较好，可以有效降低热阻边界层的厚度，提高背风铡的局部传热系尝娩而波浪形翅片由于拐点处比轼蝌旨，利于形成的涡流随着主流区较快越过背风侧，造成局部翰哄‰}g 讹，影响了波浪形翅片的整体传热效果。

警l囊图5两种翅片单元平均传热系数和N u 数的对比3．3阻力特性如图7所示，为相同风速下两种翅片单元的压降对比，可以看出，人字形翅片的压降比波浪形稍高，在个别流速段甚至低于波浪形翅片，．营林匕两者的压降差另叼魄为了解释两者阻力特性的这种差别，本文仍从涡量分布的角度进行分析，如图6所示，人字形翅片多形成较小的完整涡流，在背风侧停留时间较长；而由于波浪形拐点比较平滑，使得气流容易平滑地越过背风侧，最终在离开翅片时形成较大的尾涡脱落，虽然压降祥胝，但使该区域的传热恶化凡另—方面，随着风速的增加，流经翅片的压降逐渐增大，因此在实际应用中应合理选择波纹翅片的间距以及冈【速，以达到换热和阻力性毹泊勺嘲徂鎏；铪。

图6两种翅片单元的涡量分布图7两种翅片单元压降的对比4结论波纹翅片可以改变气流的来流方向，大大增加了空气换热面积，增强了流体扰动，由于漩涡的形成与分离，减薄或者破坏了热边界层的连续发展，使其换热特性得到有效强化，同时也带来了较大的阻力损失，但是换热增加的幅度要大于阻力增加的幅度。

随着风速的增加，翅片表面的传热系数、N u 数以及压降值也随之增加，基本为线性关系。

在相同的模拟条件下，人字形翅片的换热性能高于波浪形翅片，但是阻力损失却相差不大，波浪形翅片在减少流动损失面没有很大的优势。

两者流动与传热特性的差别，主要是因为翅片流场中漩涡的形成与脱落存在差异。

机械设计与制造M achi ner y D esi gn&M anuf act ur e第12期2010年12月文章编号：100l一3997(20l O)12-0200—03车辆半主动悬架联合仿真研究朱华(汽车管理学院装备技术系，蚌埠233011)C；13一s i m ul at i on r es ear ch on vehi cIe s em i—act i ve s uSD en s i O nZ H U H ua(D e pt．of E qu i pm e nt T e chnol og)r，I nst i t ut e of A ut om obi l e M ana gem en t，B eng bu233011，C hi na)一．．．州●‘…‘～^…‘‘‘。

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’^．．．．．…札‘．．．．．Ⅲ【摘要】利用多体动力学软件A D A M s建立了悬架的机械系统模型，运用M A TL A B设计了基于}模糊算法的半主动悬架控制器，基于A D A M sⅣi ew和M at l ab，si m ul i nk对半主动悬架进行了联合仿真。

f 仿真结果表明，基于模糊控制的半主动悬架能够很好地降低车身加速度、悬架动挠度及车轮动位移，较；大地改善了车辆的行驶平顺性和操纵稳定性。

}关键词：联合仿真；半主动悬架；模糊控制f 【A bst m n】屁船￡，A如f面zed舭-c施n如nf s芦细n m D如j矿zk s唧e凇i帆钾∞es￡口6‰kd6y璐i硝≥m砒i一6D方谚妒撕记s妒删ar e A D A M s A cD眦rD耽r矿s唧e雕面n乱幡如s趣哗d6珊ed on．，i昭矽咖砒m6，，；瑚i，珥M at l ab．屁，}趔’，，琥e5台m i川ct面e J s琊pe瑚如n s弦抛m cD q i m“Z磁幻n忍砸c讲7话d on6，，￡．k A D A M9y据彬{ s斫协口阳p∞五q酽彻矗M at l ab为i m ul i nkz‰si m H玩幻n阳sH凰秽e嘶琥现6D咖御ce如m￡汤凡，s瑚pe琊幻n d广}，l铆l记妣c渤n饼以￡沈力枷如tr鲫ez Q，：，h韶)，cD m roz5em i—傥￡劫e s￡‘叩e瑚面n s弘纪m n阳陀d眦ed功台c一}￡切e耖，6Dm￡，圮一如c D，礁加以∞以^nnd托，w s￡n6饿炒pe咖r蝴P旷胁e口e矗幻如aM gre磁纱i，r驴r伽e反l K ey w or ds：C o_s i m ul a缸on；SeII l i—act i V e s啪pe舾i彻；Fuzzy cont r ol} j-，～。