邱王璋，， ，,

(上海理工大學(xué) 能源與動(dòng)力學(xué)院,上海 200093)

0 引言

隨著我國(guó)汽車工業(yè)的發(fā)展和人們物質(zhì)生活水平的不斷提高，人們對(duì)乘員艙內(nèi)舒適性的要求也越來越高，汽車空調(diào)作為提高乘員艙舒適性的一個(gè)重要手段被大家所廣泛認(rèn)可[1]。汽車空調(diào)的可靠性，是衡量汽車空調(diào)性能的重要標(biāo)志。汽車空調(diào)中用于散熱的暖風(fēng)芯體在生產(chǎn)過程中用到的釬焊技術(shù)，會(huì)存在虛焊的問題[2-3],而這一問題會(huì)導(dǎo)致某些安裝暖風(fēng)芯體的汽車空調(diào)在運(yùn)行一定時(shí)間后，芯體內(nèi)產(chǎn)生漏水現(xiàn)象,從而影響汽車空調(diào)的可靠性。為此，提前找到虛焊的暖風(fēng)芯體，并做出對(duì)應(yīng)的改進(jìn)措施，保證換熱器產(chǎn)品質(zhì)量并在實(shí)際使用過程中不產(chǎn)生泄露問題，對(duì)提高汽車空調(diào)的整體性能顯得尤為重要[4]。

目前國(guó)內(nèi)外對(duì)于汽車空調(diào)總成的研究主要集中在內(nèi)部流場(chǎng)、溫度場(chǎng)的探討，具體到某一部分的研究主要是對(duì)蒸發(fā)器芯體、鼓風(fēng)機(jī)等部件，對(duì)于暖風(fēng)芯體的研究比較少[5]。對(duì)于此類換熱器可靠性的研究多集中于模擬分析，對(duì)可靠性的實(shí)驗(yàn)研究比較少[6-8]。

針對(duì)暖風(fēng)芯體的測(cè)試要求，本文首先根據(jù)裝置的可行性和工作效率，初步確定了測(cè)試裝置可同時(shí)測(cè)試的暖風(fēng)芯體個(gè)數(shù)，通過對(duì)熱水管網(wǎng)的水力工況的計(jì)算，并結(jié)合數(shù)值模擬進(jìn)一步確定方案，設(shè)計(jì)出一套汽車空調(diào)暖風(fēng)芯體測(cè)試裝置。該裝置能為暖風(fēng)芯體營(yíng)造出比實(shí)際運(yùn)行流量更大、壓力和溫度更高的惡劣環(huán)境，從而能高效、準(zhǔn)確地檢驗(yàn)被測(cè)芯體的可靠性。為檢測(cè)該測(cè)試裝置對(duì)暖風(fēng)芯體的實(shí)際測(cè)試能力，對(duì)該裝置在不同熱水流量、環(huán)境溫度、工作壓力進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，為該裝置被用于實(shí)際檢測(cè)提供科學(xué)依據(jù)，為換熱器測(cè)試裝置內(nèi)管道的布置提供參考。

1 數(shù)值計(jì)算

1.1 熱水網(wǎng)路的水力計(jì)算

供熱管路系統(tǒng)按照供、回水方式的布置不同，可分為同程式和異程式系統(tǒng)[9]。同程式系統(tǒng)中，熱流體經(jīng)過每個(gè)環(huán)路的管道總長(zhǎng)度相等，可消除或減輕系統(tǒng)的水力失調(diào)，壓力損失易于平衡[10]，但其管道的初投資相對(duì)較大。異程式系統(tǒng)中，熱流體經(jīng)過每個(gè)環(huán)路的管道總長(zhǎng)度不相等，水力失調(diào)嚴(yán)重，使得調(diào)節(jié)和水流量分配比較困難。

為保證管道中各支路流量分配均勻，本裝置采用同程式系統(tǒng)[11],根據(jù)裝置占地空間大小和工作效率要求，初步確定可測(cè)試暖風(fēng)芯體個(gè)數(shù)為4、6、8、10個(gè)。依據(jù)汽車空調(diào)換熱器相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，各芯體額定流量25 L/min，流速0.6～1.0 m/s，芯體尺寸為150.5 mm×28 mm×206 mm,利用流體力學(xué)水力計(jì)算的基本公式[12]?？傻?/p>

式中 ΔPy——計(jì)算管段的沿程損失/Pa；

ΔPj——計(jì)算管段的局部損失/Pa；

SH——管道總阻抗/s2·m-5；

λ——管段的摩擦阻力系數(shù)；

d——管子內(nèi)徑/m；

ρ——熱媒的密度/kg·m-3；

ν——熱媒在管道內(nèi)的流速/m·s-1；

ξ——管段中總的局部阻力系數(shù)。

圖1 同程式系統(tǒng)示意圖

1.2 測(cè)試裝置總水量和阻力的確定

由于計(jì)算過程不能達(dá)到理想阻抗,必須結(jié)合實(shí)際的布置方案,原理圖如圖1所示。經(jīng)計(jì)算測(cè)試6個(gè)暖風(fēng)芯體時(shí)阻抗比較均勻，進(jìn)出口壓差較合理，但進(jìn)出口溫差需要進(jìn)行模擬和測(cè)試，故本文只列出測(cè)試6個(gè)暖風(fēng)芯體的裝置系統(tǒng)阻抗分布表1。測(cè)試裝置總設(shè)計(jì)要求盡可能減少各支路的阻力和熱量損失,首先根據(jù)被測(cè)芯體額定流量確定管道總流量,由假定流速法確定各管道截面尺寸,通過阻力計(jì)算公式確定總阻力，可計(jì)算出總循環(huán)水量

Qw=mq0

(4)

式中m——被測(cè)芯體個(gè)數(shù);

q0——單個(gè)芯體額定流量/L·min-1。測(cè)試裝置總阻力包括連接管道阻力和被測(cè)芯體阻力，管道內(nèi)流速為0.6～1.0 m/s時(shí)，管道阻力為4～5.1 m，被測(cè)芯體阻力為0.5～0. 7 m。

表1 同程系統(tǒng)阻抗分布/s2·m-5

2 仿真模擬計(jì)算

采用CFD技術(shù)對(duì)同程管道的流量分配與阻力特性進(jìn)行研究，分析不同支管個(gè)數(shù)對(duì)流量分配和阻力的影響，獲得相關(guān)數(shù)據(jù)。從而，利用仿真模擬所得數(shù)據(jù)對(duì)計(jì)算結(jié)果進(jìn)一步確認(rèn)，對(duì)設(shè)計(jì)方案進(jìn)行選擇和優(yōu)化，再通過測(cè)試裝置對(duì)計(jì)算及模擬結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證，可大幅度提高裝置可靠性。

2.1 模型假設(shè)

利用商用軟件Fluent14.0,采用有限體積法對(duì)控制方程進(jìn)行求解，管道及被測(cè)芯體中流動(dòng)為湍流，采用標(biāo)準(zhǔn)函數(shù)k-ε模型，利用SIMPLE算法，且各變量的收斂精度為1×10-6。為簡(jiǎn)化模型，首先對(duì)其做如下假設(shè)：

(1)工質(zhì)水為不可壓縮流動(dòng)，各點(diǎn)參數(shù)和流量不隨時(shí)間變化；

(2)被測(cè)芯體形狀大小完全相同，管道壁面摩擦系數(shù)均勻分布；

2.2 邊界條件及網(wǎng)格劃分處理

定義入口工質(zhì)水為速度入口，給定入口速度，給定入口溫度為90 ℃；定義出口為壓力出口，出口背壓取0。計(jì)算網(wǎng)格是通過軟件Fluent前處理程序Gambit對(duì)整個(gè)計(jì)算區(qū)域進(jìn)行劃分，即采用結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格又采用非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，能夠控制空間的網(wǎng)格質(zhì)量大于0.85，為了驗(yàn)證網(wǎng)格無關(guān)性，在比較多個(gè)不同網(wǎng)格數(shù)量的計(jì)算結(jié)構(gòu)后，確保計(jì)算區(qū)域網(wǎng)格數(shù)量不影響計(jì)算結(jié)果[13]。

2.3 模擬結(jié)果及分析

具有若干個(gè)支路的閉式管網(wǎng)，確定其設(shè)計(jì)流量分配是否均勻，可用進(jìn)入各支路的工質(zhì)水不均勻度δ[14]表示，即

δ=(|mi-mj|/mj)×100%

式中mi和mj——第i支路的流量和各支路的平均質(zhì)量流量。

平均流量是指理論設(shè)計(jì)中每個(gè)支路的流量。本文主要分析了在不同支路個(gè)數(shù)及一定平均流量范圍內(nèi),管道各支路流量不均勻度δ、主管進(jìn)出口壓差及其溫差的變化特性，改變支路個(gè)數(shù)分別為4、6、8、10個(gè)，平均流量分別為20 L/min、25 L/min、30 L/min、35 L/min。設(shè)定管路中工質(zhì)水的溫度為90 ℃，利用仿真模擬可以得出在一定平均流量范圍內(nèi)及不同支路個(gè)數(shù)下，滿足流量不均勻度、進(jìn)出口總壓差及溫差要求的支管個(gè)數(shù)，以下是模擬結(jié)果如圖2、圖3。

圖2 不同支路個(gè)數(shù)、平均流量下的流量不均勻度δ

圖3 不同平均流量下主管進(jìn)出口壓差

2.4 模擬結(jié)果分析

相同平均流量是指理論設(shè)計(jì)中每個(gè)支路的流量相同，如測(cè)試4個(gè)和6個(gè)暖風(fēng)芯體相同平均流量25 L/min時(shí)總流量分別為100 L/min和150 L/min。由圖2可以看出，就每個(gè)圖本身而言流量越大不均勻度略有變化但無明顯變化，這是因?yàn)檠b置設(shè)計(jì)過程中，考慮到工程實(shí)際問題不能再加裝閥門等部件從而不能使各支路阻抗完全相等。隨著流量增大，當(dāng)管道中流量超出裝置設(shè)計(jì)流量后其不均勻度表現(xiàn)不是非常明顯。將圖2各圖進(jìn)行對(duì)比，在相同平均流量下隨著支路個(gè)數(shù)的增加，支路不均勻度增加較明顯。若裝置有4個(gè)被測(cè)芯體時(shí)，總體水流流速分布比較均勻，如圖2(a)，水流經(jīng)三通管后流入被測(cè)芯體，各支管間最大不均勻度為3.2%；若裝置有6個(gè)被測(cè)芯體時(shí)，總體水流流速分布仍較均勻，如圖2(b)，最大不均勻度4.3%，滿足不大于5%的要求；若有8個(gè)或10個(gè)被測(cè)芯體時(shí)水流分布明顯不均勻，尤其總流量較大時(shí)，最大不均勻度大于5%，故不滿足要求。

對(duì)于相同的支路個(gè)數(shù)，隨著流量的增加，各支路的不均勻度無明顯變化。這是因?yàn)楦髦返牟痪鶆蚨戎慌c管路的阻抗分布有關(guān)，而總流量的增加只影響各支路流量的大小不影響其流量比，即各支路的流量與總流量同比例變化。流量不均勻度δ曲線成“W”型，且隨著支路個(gè)數(shù)增加“W”型越明顯，這是為滿足主管流速必須采用變徑，即在接入支管的主管1/2處變徑造成該段支管流量突變，從而引起該段流量不均勻度δ增大。

從圖3可得，隨著入口雷諾數(shù)Re的增大，進(jìn)出口總管的壓差亦增大，且增大的越來越快。這是由于管路中多處三通、彎頭及閥門引起流速分布和流動(dòng)方向的改變，再者水流由主管進(jìn)入支管中會(huì)因撞擊和剪切而產(chǎn)生較大的漩渦區(qū)如圖4，這些都會(huì)產(chǎn)生水頭損失，并隨著入口雷諾數(shù)Re增大和被測(cè)芯體個(gè)數(shù)增加該水頭損失越大。

圖4 測(cè)試裝置模擬的流速場(chǎng)

經(jīng)試驗(yàn)測(cè)試，支路平均流量和個(gè)數(shù)的增加進(jìn)出口水溫差無明顯變化，溫差小于5 ℃不影響測(cè)試效果，故無需作圖說明。雖然流量增加在一定程度上增加了換熱效果，支路個(gè)數(shù)增加顯然增大了換熱面積。但由于管道外加保溫棉一方面防止直接接觸管道避免燙傷，另一方面起到保溫的作用。此外，熱水循環(huán)路徑較短,故主管進(jìn)出口水溫差可忽略。

3 試驗(yàn)測(cè)試

3.1 試驗(yàn)裝置和方法

測(cè)試裝置管材采用直徑為DN65、DN40的PPR熱水管，實(shí)驗(yàn)裝置如圖5所示，上下兩個(gè)獨(dú)立測(cè)試系統(tǒng)。水箱、水泵、被測(cè)芯體、回水閥、過濾器由管道連接組成循環(huán)熱水系統(tǒng)。測(cè)試前向水箱加入一定量水，通過水箱的電加熱獲得高溫水，由變頻器改變水泵頻率可獲得不同流量即不同壓力的循環(huán)水，從而營(yíng)造出比暖風(fēng)芯體實(shí)際工作更惡劣的環(huán)境，以致提前找到虛焊芯體，保證換熱器產(chǎn)品質(zhì)量。熱水流經(jīng)主管流入各支管，再經(jīng)過被測(cè)暖風(fēng)芯體后流入水箱。流量由安裝在支管上的FMG83型電磁流量計(jì)(美國(guó)OMEGA公司,測(cè)量精度為±1%)逐一測(cè)量各支路流量；主管道前后斷面安裝Y-100BFZ型精度為1.6級(jí)的壓力表(上海儀表四廠)用于測(cè)量前后壓差；溫度由OS540型手持式紅外測(cè)溫儀測(cè)量(測(cè)量精度為±1℃)。在額定平均流量25 L/min，水溫90 ℃，將試驗(yàn)裝置測(cè)試得出的數(shù)據(jù)與模擬結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析，如圖6。

圖5 試驗(yàn)裝置示意圖

圖6 試驗(yàn)值與模擬值的流量不均勻度δ對(duì)比

3.2 試驗(yàn)結(jié)果與模擬結(jié)果對(duì)比分析

依據(jù)水力計(jì)算和數(shù)值模擬結(jié)果搭建能夠測(cè)試6個(gè)暖風(fēng)芯體的測(cè)試裝置,通過測(cè)得各支路流量計(jì)算出流量不均勻度δ,通過測(cè)得進(jìn)出口壓力計(jì)算壓差。與模擬結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，由圖5可見，最大不均勻度的試驗(yàn)值均略大于模擬值，最大不均勻度為4.7%，與模擬計(jì)算值比較吻合，但試驗(yàn)值的最大不均勻度較大。

在6個(gè)測(cè)試支路、平均流量為25 L/min條件下，數(shù)值模擬的主管進(jìn)出口兩端壓差為29 kPa,試驗(yàn)測(cè)試結(jié)果為32～35 kPa。

3.3 誤差原因分析

數(shù)值模擬結(jié)果與試驗(yàn)測(cè)試結(jié)果之間的誤差主要原因：(1)數(shù)值結(jié)果所采用的模型是經(jīng)過一定簡(jiǎn)化的，為減少網(wǎng)格數(shù)量，在不重要的部分網(wǎng)格比率較大；(2)試驗(yàn)中水的物性參數(shù)隨著溫度和壓力的變化而變化，而數(shù)值模擬所采用的流動(dòng)過程為恒定流動(dòng)；(3)試驗(yàn)中管壁溫度在不斷變化，隨著水溫升高而升高，而數(shù)值模擬中管壁溫度恒定不變；(4)試驗(yàn)中由于加工、運(yùn)輸?shù)确矫嬖?，每個(gè)暖風(fēng)芯體的大小、粗糙度等不完全相同，而數(shù)值模擬中其均完全相同；(5)由于電磁流量計(jì)較昂貴，試驗(yàn)中用同一個(gè)電磁流量計(jì)分別測(cè)得不同試驗(yàn)各支路的流量，而數(shù)值模擬中測(cè)量的是同一迭代的模擬數(shù)據(jù)。

4 結(jié)論

本文通過水力計(jì)算、數(shù)值模擬并搭建出合理的測(cè)試裝置，通過試驗(yàn)測(cè)試，得出以下結(jié)論：

(1)6個(gè)支路的測(cè)試裝置并聯(lián)運(yùn)行，其流量不均勻度小于5%，主管進(jìn)出口壓差滿足設(shè)計(jì)要求，進(jìn)出口溫差可忽略。

(2)主管進(jìn)口Re的增大不影響系統(tǒng)支路的流量不均勻度，即各支路的流量與系統(tǒng)總流量同比例變化，即改變總流量不影響各支路的水流分布。主管進(jìn)出口阻力隨著進(jìn)口Re增大而增大，隨著支管個(gè)數(shù)增多而增大。

(3)同程式管道存在一定的流量分布不均勻，但在一定條件下可以滿足不均勻度小于5%要求，該結(jié)果已應(yīng)用到暖風(fēng)芯體測(cè)試裝置上。流量不均勻度曲線近似成“W”型，且隨著支管個(gè)數(shù)增加“W”型越明顯。