引言空压机为电厂生产压缩空气时，机体因压缩空气做功产生大量热量，容易导致排气温度升高，严重时将引发设备跳机，需要合理配置冷却器。百叶窗形式翅片的结构采用间断式布置，能够有效破坏热边界层的发展，具备较高的换热效率[1]。百叶窗翅片具有体积小、重量轻、成本低等优点，成为冷却器构成单元的优选目标。吴嘉丰[2]等结合数值模拟对百叶窗翅片结构进行多目标优化，结果表明，百叶窗倾角为24.4°、宽度为1.2 mm、翅片间距为1.4 mm时的热力性能较好。刘妮[3]等对百叶窗翅片的流动传热特性进行数值模拟。研究表明，低雷诺数时，较小的百叶窗倾角、翅片间距具有较好的热力性能。Tran[4]等对翅片间距、翅片厚度以及百叶窗角度展开数值研究发现，百叶窗倾角为0~27°时，翅片热力性能显著提升；百叶窗倾角从27°提高至40.5°，热力性能提升幅度较小。Tosun等[5]对双排和三排的百叶翅片换热器进行试验分析。结果表明，与三排翅片相比，双排翅片的热力性能更优。Vaisi[6]等通过试验研究气流流经百叶窗翅片空气侧的传热和流动特性。结果表明，与非对称布置的百叶窗翅片相比，对称布置的百叶窗翅片的传热性能提高了9.3%，压降减少了18.2%。Huisseune[7]等通过可视化流动试验研究百叶窗翅片的流动传热特性。研究表明，雷诺数较高、翅片间距较小以及百叶窗角度较大的情况下，气流形成的马蹄形涡旋小，换热效果佳。百叶窗翅片结构参数对冷却器的热力性能具有一定的影响。结合现有文献报道，对百叶窗翅片的几何结构展开数值分析，研究百叶窗倾角、百叶窗间距、翅片厚度对冷却器热力性能的影响，旨在进一步优化冷却器的几何结构，为冷却器的合理设计提供参考。1物理、数学模型及评价因子1.1物理模型与网格根据百叶窗翅片结构建立物理模型。其中，百叶窗倾角(θ)为27°，百叶窗间距(Lp)为1.4 mm，翅片厚度(δ)为0.1 mm。百叶窗翅片的计算模型如图1所示。10.3969/j.issn.1004-7948.2022.11.016.F001图1百叶窗翅片的计算模型百叶窗翅片在冷却器内的分布具有周期性、对称性特点，选取最小结构单元作为计算模型。为了保证气流能够均匀流入进口，在出口处充分发展，在进、出口处设置延伸区域。采用非结构化网格划分计算区域。为了贴合百叶窗翅片表面的实际流动传热过程，对翅片近壁区进行局部加密。同时，为了降低网格数量对计算结果的影响，节约计算资源，提高计算效率，对网格无关性进行验证，确定合适的网格单元大小和数量。1.2数学模型气流进、出口处分别采用速度入口、压力出口边界条件，进口风速(uin)为6 m/s，进口温度(Tin)为298 K；上、下截面选用周期性边界条件；翅片宽度的一半截面设为对称边界条件；管壁为恒温壁面边界条件，壁温(T)为308 K。采用常物性、不可压缩流体的三维稳态湍流的流动传热控制方程组对百叶窗翅片气流侧的流动传热特性进行描述，包括动量、质量、能量守恒方程以及k-ε湍流方程[8]。控制方程中，速度压力耦合选用SIMPLEC算法，二阶迎风离散对流项，扩散项为中心差分，设定迭代收敛残差为10-6。连续性方程为：∂ρui∂xi=0 (1)式中：ρ——空气密度，kg/m3；u——时均流速，m/s；x——坐标轴；i——沿X轴的分量。动量守恒方程为：∂ρui∂t+∂ρuiuj∂xj=∂∂xjμλ∂ui∂xj-ρui'uj'¯-∂p∂xj (2)式中：p——时均压力，Pa；μ——动力黏度，Pa·s；t——时间，s；λ——空气导热系数，W/(m·K)；j——沿Y轴的分量。能量守恒方程为：∂ρT∂t+∂ρuiT∂xi=∂∂xiλ∂Tcp∂xi-ρui'T'¯ (3)式中：T——时均温度，K；cp——定压比热容，J/(kg·K)。k方程为：∂ρk∂t+∂ρkui∂xi=∂∂xjμ+μtσk∂k∂xj+G-ρε (4)式中：k——湍动能；μt——湍流黏性系数；G——湍动产生项；ε——湍动耗散率；σk——常数。ε方程为：∂ρε∂t+∂ρεui∂xi=∂∂xjμ+μtσε∂ε∂xj+C1εkG-C2ρε2k (5)式中：σε、C1、C2——常数。1.3评价因子翅片结构的优化设计需要同时考虑换热效果和翅片结构对翅片流动阻力的影响。为了清晰、直观地比较翅片结构参数对冷却器热力性能的影响，选取无量纲数进行研究。j因子（传热因子）、f因子（摩擦因子）分别表征换热能力与流动阻力，以j/f1/3因子作为综合热力性能的评价指标，评估翅片结构参数对冷却器热力性能的影响[9]。j/f1/3因子的值越大，表明该结构参数下的百叶窗翅片的热力性能越好，冷却器整体的热力性能较佳。2结果与分析2.1Re对j因子、f因子的影响数值计算与试验关联式条件下Re与j因子、f因子的关系[10]如图2所示。数值模拟计算结果略高于试验关联式的计算结果，但变化趋势相同。Re为200~1 200时，j因子的相对误差最高为18%，f因子的相对误差不超25%，满足计算要求。10.3969/j.issn.1004-7948.2022.11.016.F002图2数值计算与试验关联式条件下Re与j因子、f因子的关系2.2百叶窗倾角对热力性能的影响百叶窗倾角与j因子、f因子的关系如图3所示。j因子随着百叶窗倾角的增加发生线性变化，呈单调递增趋势。增大百叶窗倾角使百叶窗高度（百叶窗前缘垂直于翅片表面的高度）增加，压缩了气流在翅片水平方向的流动空间，迫使气流流过百叶窗间的通道；增大百叶窗倾角使相邻百叶窗格栅之间的垂直距离增大，扩宽了气流在百叶窗间的流动空间，强化了百叶窗翅片对气流的导向作用。百叶窗倾角较大时，气流流动以窗间流[11]为主，流动效率高，翅片的整体换热效果较好。随着百叶窗倾角增大，f因子的值不断增大。原因为百叶窗倾角增大造成百叶窗高度增加，气流在翅片水平方向流动，容易发生堵塞，使气流流经各百叶窗前缘时产生更大的局部流动阻力。10.3969/j.issn.1004-7948.2022.11.016.F003图3百叶窗倾角与j因子、f因子的关系百叶窗倾角与综合热力性能工况下的j/f1/3因子的关系如图4所示。百叶窗角度与j/f1/3因子的变化趋势相同，θ=29°时，j/f1/3因子最大，冷却器的热力性能优异。10.3969/j.issn.1004-7948.2022.11.016.F004图4百叶窗倾角与综合热力性能工况下的j/f1/3因子的关系2.3百叶窗间距对热力性能的影响百叶窗间距与j因子、f因子的关系如图5所示。相同进口风速下，随着百叶窗间距增大，j因子呈单调递增的变化趋势，在间距为1.6 mm时达到最大值，此时的气流流动以窗间流为主，少量的气流沿翅片水平方向流动，气流流动效率提高，有效改善了翅片管外的换热情况。随着百叶窗间距增大，f因子的值单调递减。因为百叶窗间距增大使相邻百叶窗之间的宽度增加，流动空间增大，气流流速下降，使流动阻力变小。10.3969/j.issn.1004-7948.2022.11.016.F005图5百叶窗间距与j因子、f因子的关系百叶窗间距与j/f1/3因子的关系如图6所示。百叶窗间距为1.6 mm时，j/f1/3因子的值最大，冷却器的热力性能最佳。10.3969/j.issn.1004-7948.2022.11.016.F006图6百叶窗间距与j/f1/3因子的关系2.4翅片厚度对热力性能的影响不同翅片厚度与j因子、f因子的关系如图7所示。随着翅片厚度逐渐增大，冷却器的j因子值处于增加趋势。翅片厚度增加使翅片的总换热面积小幅增加，换热效果得到强化。随着翅片厚度的增大，气流流通截面积减小，使狭小通道内的气流流速增大，加剧流体扰动，从而使换热系数增加；同时流动阻力变大，f因子的值增大。10.3969/j.issn.1004-7948.2022.11.016.F007图7翅片厚度与j因子、f因子的关系翅片厚度与j/f1/3因子的关系如图8所示。10.3969/j.issn.1004-7948.2022.11.016.F008图8翅片厚度与j/f1/3因子的关系由图8可知，翅片厚度较小时，冷却器的热力性能较好。3结语（1）随着百叶窗倾角增大，窗间流增多，流动效率提高，气流与翅片间的换热系数和流动阻力增加。θ=29°时，冷却器的综合热力性能较好。（2）随着百叶窗间距的增大，翅片的换热能力增强，流动阻力减小。Lp=1.6 mm时，冷却器的综合热力性能较好。（3）翅片厚度增大，翅片表面换热效果增强，流动阻力增加。δ=0.08 mm时，冷却器的综合热力性能最佳。