1、国际联运车采暖散热器优化选型摘要：本文采用 Fluent 对国际联运车散热器形式进行仿真优化，得到两种翅片管的散热量、金属热强度、换热系数等热工性能，以散热量及金属热强度较大为目标函数，实现对国际联运车采暖散热器类型的确定。 关键词：国际联运车翅片管流动特性热工性能 中图分类号： TU832 文献标识码： A 国际联运车（北京-乌兰巴托-莫斯科）的运行区间横贯欧亚大陆，跨越北纬 39.92到北纬 55.45之间，由温带季节气候带跨向典型的温带大陆气候带，全程 7826 公里，是中国铁路开行里程最长的旅客列车。列车运行沿线地区自然环境恶劣，具有太阳辐射强度大、风沙大、空气干燥等气候特点，尤其冬季
2、气温低。根据气候资料分析1，线路近十年最低气温为-45。 对于车厢内的散热末端，考虑列车特殊的运行环境及狭长的车厢尺寸的限制，联运车散热器形式选用径向翅片管散热器。不同于建筑，由于列车耗热量大小的车体体型系数较大，且列车维护结构为金属，虽然采用保温措施，但其车体传热系数也较大，且车体传热系数随着列车运行车速的增加而增大，使得相同散热面积的耗热量比建筑的大。国际联运车升级前，采暖系统使用燃煤锅炉加热热水，散热系统末端采用圆翅片管（基管直径 75.5mm、翅片间距 9mm、翅片外径 120mm） ，其散热能力无法满足车厢对散热量的要求，因此对散热器的散热强度提出更高的要求。列车在运行过程中车体是封
3、闭的，可将散热器置于自然对流下进行研究2，本文应用 Fluent 对原车使用的圆翅片管形式及一种螺旋翅片形式的翅片管在自然对流下进行仿真模拟研究，对比翅片管的热工性能及工艺性，以散热量、金属热强度为目标函数选择性能较优的翅片管形式。 1 研究对象及数学模型 如图 1 所示的两种结构形式的翅片管为本文研究的物理模型。翅片管材料为铸铁，假设材料均匀且各向同性、稳态，研究对象放置在环境温度 Tf=22的空间内，基管内壁温为恒温 80，可近似把问题看成为三维、稳态、常物性、有内热源的导热和对流换热的耦合问题。基管外径 D，基管内径 d，基管厚度 a，翅片外径 H，翅片间距 l，翅片厚度。翅片与基管是由
4、相同材料组成的整体，且翅片管基管的外径、内径、基管厚度、翅片管厚度固定，其他参数在一定范围内变化。 a 螺旋翅片管 b 圆翅片管 图 1 两种结构形式的翅片管 边界条件：本文研究对象是在自然对流下进行，因此可看作大空间内自然对流的问题，研究模型取翅片管长度的 0.101m，将其放置在1m1m1m 封闭空间的中央，翅片管基管内壁为恒壁温 80，翅片管四周为墙壁，计算区域内为空气，空气的温度为 22。计算区域内空气受到翅片管的加热密度发生变化从而发生自然对流。 对于本问所研究的模型，翅片管基管恒壁温 80，周围空气的温度恒定在 22，则定性温度，可得出其定性温度=51，通过查表得出空气的物性参数：
5、=1.093kg/m3，=17.9510-6m2/s，=25.710-6m2/s，=0.698，空气的容积膨胀系数3可由公式（1） ，即： （1） 式中：受壁面温度影响空气的密度，kg/m3； 未受壁面温度影响的周围空气密度，kg/m3； 、未受壁面温度影响的周围空气温度和受壁面温度影响的空气温度，K。 求出，其结果=0.002933，由公式（2） （2） 可求出该定性温度下，=1.087109。则可得出=7.58108，通过判别可知，翅片管空气侧流态为层流，因此所研究翅片管可选用层流模型。 计算方案的确定：固定圆翅片管及螺旋翅片管的基管外径 75.5mm、翅片间距 9mm，改变翅片外径，分别
6、为100mm、110mm、120mm、130mm、140mm 不同翅片管结构形式进行模拟分析，其不同结构形式计算方案见表 1 所示。 2 热工性能的对比 散热量 通过对长度为 0.101m、翅片间距为 9mm，不同外径的圆翅片管及螺旋翅片管的模拟得出其散热量如图 1 所示。随着翅片外径的增大，圆翅片管及螺旋翅片管均增大，其主要原因是翅片外径的增加，其换热面积也随着增大，因此散热量也不断增大。从图中我们也可以得出，不同外径下，螺旋翅片管的散热量大于圆翅片管。这是由于长度相同、翅片间距相同的两种形式的翅片管相比，螺旋翅片管的面积要大于圆翅片管，面积的增大是导致前者的散热量大于后者的主要原因。 图
7、1 螺旋翅片管及圆翅片管散热量比较 图 2 螺旋翅片管及圆翅片管换热系数比较 换热系数 本文传热模型中均不考虑辐射问题，因此换热系数即为翅片管空气侧的对流换热系数，其定义为单位传热面积单位平均温差下的散热量。即： （3） 其中， ；为管壁温度，为周围空气的温度。由图 2 可以看出两种形式的翅片管随着翅片外径的增大，其换热系数有所减小，且圆翅片管的传热系数大于螺旋翅片管的传热系数。究其原因是增大翅片外径，使肋化效率变得更小，有效换热面积变大，这样虽然能强化传热，但是降低了对流换热系数。传热系数的大小不能说明某一种翅片管的好坏4，比如，单根光管是在自然对流条件下传热系数最大的一种翅片管，但它不是最
8、好的翅片管。 金属热强度 根据公式，可计算得出各形式下的翅片管的金属热强度如图 3 所示。在 5 种不同的翅片外径形式下，螺旋翅片管及圆翅片管的金属热强度均先增大，当翅片外径增大到 120mm 时其金属热强度出现了减小。从图中我们还可以得到，螺旋翅片管的金属热强度大于圆翅片管，高出31%44%。 单位体积散热量 单位体积散热量在计算翅片管优劣时，是一种比较经济的手段。单从耗费材料的成本角度上，单位体积散热量越大，说明单位成本散热量越大，耗费单位成本所获得收益就越大，也就越经济。图 4 是螺旋翅片管及圆翅片管单位体积散热量的比较。通过比较可以发现，圆翅片管的单位体积散热量随着翅片外径的增大而增大
9、，当外径到达 130mm 时，其增幅减小；螺旋翅片管先增加后减小，在翅片外径到达 120mm 时达到最大值，随后不断减小。螺旋翅片管的单位体积散热量要高于圆翅片管，高出 10%21%。 图 3 螺旋翅片管及圆翅片管金属热强度比较 图 4 螺旋翅片管及圆翅片管体积散热量比较 工艺性 根据翅片管的不同加工工艺，翅片管可分为：轧制成型翅片管、焊接成型翅片管、滚压成型翅片管、套装成型翅片管5。对圆翅片管而言多采用焊接成型的方法，该方法要求的设备价格低廉、工艺简单、技术要求不高，但制作效率较低，而且焊接处对翅片的散热有较大的影响；螺旋翅片管多采用压制成型、滚压成型的方法，应用机械设备对散热管冲压成翅片管
10、，制作效率高，而且无焊接处对翅片管的散热的影响。 3 结语 通过对国际联运车选用的两种翅片管散热的数值模拟，得出如下对实际应用与实验研究有指导意义的结论：在本文研究的计算方案下螺旋翅片管的散热量、金属热强度和单位体积散热量方面均高于圆翅片管；圆翅片管的传热系数高于螺旋翅片管；另从翅片管的制作工艺性上分析，螺旋翅片管要优于圆翅片管。因此国际联运车散热器基于散热量及金属热强度较大、制作工艺性较优上考虑，应采用性能更优的螺旋翅片管形式。 参 考 文 献： 罗斯静.俄罗斯旅游指南.广东省地图出版社，2001.2. 张长兴.青藏铁路客车采暖电加热器的应用研究D.青岛理工大学硕士学位论文，200606 杨世铭，陶文铨.传热学M.第二版，西安：西安交通大学出版社，2001. 黄素逸，廖四清.竖通道中自然对流的流动阻塞与热阻塞J.华中理工大学学报，1995,23（增刊 1）：151-155. 丁文斌，陈保东，庞铭.空气冷却器翅片管强化传热新途径J.石油化工设备，1997.11,26（6）：39-42
