雷诺数对风洞换热器性能的影响

吴星慧; 李国文; 肖敬航; 王梓瑞

doi:10.3969/j.issn.2095-1248.2025.04.003

沈阳航空航天大学学报 >

2025 , Vol. 42 >Issue 4: 15 - 22

DOI: https://doi.org/10.3969/j.issn.2095-1248.2025.04.003

航空宇航工程

雷诺数对风洞换热器性能的影响

吴星慧 ,
李国文 ,
肖敬航 ,
王梓瑞

展开

沈阳航空航天大学航空发动机学院，沈阳 110136

吴星慧（2001—），女，山东日照人，硕士研究生，主要研究方向为风洞换热器，E-mail：1249764636@qq.com

李国文（1978—），男，河北唐山人，高级实验师，主要研究方向为风洞数据采集与控制，E-mail：clubi@163.com。

收稿日期: 2024-12-16

修回日期: 2025-03-31

录用日期: 2025-04-03

网络出版日期: 2025-08-19

基金资助

国家自然科学基金(52376028)

收起

Impact of Reynolds number on the performance of wind tunnel heat exchangers

Xinghui WU ,
Guowen LI ,
Jinghang XIAO ,
Zirui WANG

Expand

College of Aero-engine，Shenyang Aerospace University，Shenyang 110136，China

Received date: 2024-12-16

Revised date: 2025-03-31

Accepted date: 2025-04-03

Online published: 2025-08-19

Fold

摘要

为了研究雷诺数对风洞换热器性能的影响，采用CFD数值模拟的方法对风洞常规翅片式换热器进行分析。利用NX12.0制作翅片式换热器的三维几何模型，并通过Ansys-Meshing划分网格。使用Fluent 2021R1软件进行模拟仿真计算，研究来流雷诺数对换热器换热性能和阻力性能的影响。由计算可知：2、4和6 mm对应的雷诺数分别为676.79、1 353.59和2 030.39，雷诺数增大，换热器进出口压降和温差下降，综合换热性能分别提升72.61%和28.28%，但提升效果趋于平缓。在结构参数相同工况下，入口风速增大，所对应的雷诺数分别为1 355.09、2 710.18、4 065.27、5 420.35和6 775.44。雷诺数增大，换热因子随之减小，风洞换热器的换热特性呈下降趋势，摩擦因子随之减小，风洞换热器的流动阻力呈下降趋势，综合换热因子随之减小，分别下降了9.34%、8.96%、4.79%和5.34%，换热器综合性能随之变差。

关键词： 翅片式换热器; 雷诺数; 综合换热性能; 数值模拟; 性能计算

本文引用格式

吴星慧 , 李国文 , 肖敬航 , 王梓瑞 . 雷诺数对风洞换热器性能的影响[J]. 沈阳航空航天大学学报, 2025 , 42(4) : 15 -22 . DOI: 10.3969/j.issn.2095-1248.2025.04.003

Abstract

In order to study the impact of the Reynold number on the performance of wind tunnel heat exchangers，the CFD numerical simulation method was employed to analyze a conventional finned-type heat exchanger in a wind tunnel. Firstly，a three-dimensional geometric model of the finned-type heat exchanger was created through NX12.0，and then the mesh was generated through Ansys-Meshing. Numerical simulations were carried out using Fluent 2021R1. The numerical simulation mainly focused on the impact of the incoming flow Reynolds number on the heat transfer performance and resistance performance of the heat exchanger. The calculations revealed that corresponding to 2mm，4mm，and 6mm，the Reynolds numbers are 676.79，1 353.59，and 2 030.39 respectively. As the Reynolds number increases，the pressure drops and temperature difference between the inlet and outlet of the heat exchanger decreases，and the comprehensive heat transfer performance increases by 72.61% and 28.28% respectively. However，the improvement effect tends to be flat. Under identical structural parameters，as the inlet wind velocity increases，the corresponding Reynolds numbers are 1 355.09，2 710.18，4 065.27，5 420.354，and 6 775.44 respectively. As the Reynolds number increases，the heat transfer factor decreases，and the heat transfer characteristics of the wind tunnel heat exchanger show a downward trend. Meanwhile，the friction factor also decreases，leading to a downward trend in the flow resistance of the wind tunnel heat exchanger. The comprehensive heat transfer factor decreases，which decreases by 9.34%，8.96%，4.79%，and 5.34% respectively. Consequently，the comprehensive performance of the heat exchanger demonstrates progressive deterioration.

Key words： finned-type heat exchanger; Reynolds number; comprehensive heat transfer performance; numerical simulation; performance calculation

风洞换热器是风洞中的重要设备之一^［1］，其研究背景主要来源于汽车工业和航空航天等领域的需求^［2］。作为风洞的重要组成部分，换热器是调节风洞气流温度的关键部件，放置于风洞内换热器会对气流产生扰动，影响下游温度场和速度场的均匀性^［3］。

很多学者对换热器进行了研究。康海军等^［4］依据换热器换热面积影响换热量的原理对不同翅片间距和不同管排数进行研究，得出二排管换热性能明显高于三排、四排管。Jajja等^［5］、冉晴等^［6］对5种不同间距翅片式换热器进行研究，得出0.2 mm翅片间距的换热器实现了40.5 ℃的最低换热器基础温度。

为深入研究雷诺数对换热器换热性能的影响，本文将针对来流雷诺数进行研究。

1 翅片式换热器基本结构及参数

1.1 基本结构

翅片式换热器是由翅片及基管组成^［7］，三排基管换热器结构如图1所示。本文选择的翅片式换热器结构尺寸如表1所示。

显示原图|下载原图ZIP|生成PPT

图1 三排基管换热器结构

表1 翅片式换热器主要结构尺寸 (mm)

主要几何结构	尺寸
圆管外径 $D 0$	10
圆管内径 $D$	9
翅片间距 $F P$	2
翅片厚度 $δ$	0.2
管排数 $N$	2
横向间距 $P t$	25.4
纵向间距 $P l$	19.05

1.2 结构简化

分析换热器性能时可利用换热器具有周期性和对称性来简化计算区域^［8］。入口区域延长38.1 mm，保证入口速度均匀一致；出口区域延长133.35 mm，保证出口区域气体流动得到充分的发展且无回流^［9］。管间无温度梯度，认为翅根温度与管壁温度一致^［10］。

翅片式换热器计算区域及边界条件如图2所示，深色为固体域，浅色为流体域。

显示原图|下载原图ZIP|生成PPT

图2 翅片式换热器计算区域及边界条件示意图

选择前文边界条件设置，截取截面 0.5 mm处的平面为计算切面，切面位置如图3所示。

显示原图|下载原图ZIP|生成PPT

图3 切面位置示意图

1.3 计算方法和边界条件设置

利用ANSYS2对模型进行分析，设流体为不可压缩气体。通过FLUENT进行求解。

本文研究的流体条件为干工况，过程处于稳态，冷却液体为水。由此设置边界条件：

1）进出口边界条件：速度入口的温度

T i n 为 308.15 K

；出口压力为0；其余为默认设置。

2）基管管壁边界条件：设置为壁面，材料为铜，温度为恒温，

T w a l l 为 288.15 K

，外壁面设置为流固耦合壁面。

3）翅片板边界条件：设置为流固耦合壁面。

4）计算域上下周期性边界条件：周期数值为翅片间距；左右为对称性边界条件^［11］。

1.4 控制方程

连续性方程（质量守恒方程）为

∂ u i ∂ x i = 0

（1）

动量守恒方程（N-S方程）为

ρ u i ∂ u i ∂ x j

= - ∂ p ∂ x i + ∂ ∂ x j μ + μ T ∂ u i ∂ x j + ∂ u j ∂ x i

（2）

能量守恒方程为

p C P u j ∂ T ∂ χ j = ∂ ∂ χ j λ + μ T C P P r T ∂ T ∂ x j

（3）

2 计算网格

根据前文三维模型，通过软件划分网格，设置边界层第一层网格厚度为0.001 mm，边界层数为10，边界层增长率为1.2。

为保证数值预报结果与网格数无关，现进行网格独立性验证^［12］，如表2所示。在网格数为3 345 030与4 166 720时的压降相对误差均为0.061%，认为网格数对计算的影响可以忽略。因此本文采用的网格数确定在400万个左右。

表2 网格无关性验证

网格数/ 个	压降/ $P a$
278 770	47.37
422 860	48.26
1 239 304	56.75
2 868 520	59.63
3 345 030	60.26
4 166 720	60.30

3 计算结果分析与讨论

3.1 翅片间距改变后的雷诺数对换热器性能的影响

为研究翅片间距改变后的雷诺数对换热器性能的影响，保持进口风速为5

m / s

，设置翅片间距

F P

分别为2、4、6 mm 3组换热器计算，不同翅片间距对应的雷诺数如表3所示。

表3 不同翅片间距对应的雷诺数

翅片间距/ $m m$	雷诺数
2	676.79
4	1 353.59
6	2 030.39

图4为不同翅片间距的雷诺数对应的翅片式换热器的切面流线图。从图4中可以看出，不同雷诺数的流线图变化不明显。由于较小的雷诺数使得流体与翅片的边界层减小，流体的阻力增大，主流的流动湍流度增加，所以雷诺数越大，圆管尾流后的涡流区域越小^［13］。

显示原图|下载原图ZIP|生成PPT

图4 不同翅片间距雷诺数对应的翅片式换热器的切面流线图

图5为不同雷诺数的切面压力云图。由于雷诺数增大，流体的黏滞作用减小，出口湍流度下降，压力损失减小。当翅片间距增大，入口静压呈下降趋势，进出口压降随之减小。

显示原图|下载原图ZIP|生成PPT

图5 不同雷诺数的切面压力云图

图6为不同雷诺数的切面温度云图，沿气体流动方向，流体温度逐渐降低。翅片间距增大，雷诺数增大，换热流体增多，换热器换热效率逐渐降低，流体温度逐渐升高。

显示原图|下载原图ZIP|生成PPT

图6 不同雷诺数的切面温度云图

表4为不同雷诺数与空气侧对流换热系数、压降、温差和努塞尔数的关系。由表4可知，空气侧对流换热系数、压降和温差均随雷诺数的增加而减小。不同雷诺数下的空气侧对流换热系数、压降、温差和努塞尔数的变化如图7所示。

表4 不同雷诺数与空气侧对流换热系数、压降、温差和努塞尔数的关系

雷诺数

对流换热系数

（W·m²·K）

压降/Pa

温差/K

努塞尔数

N u

676.79

84.79

60.74

7.68

35.04

1 353.59

73.19

30.84

4.01

30.25

2 030.39

71.57

23.51

2.88

29.58

显示原图|下载原图ZIP|生成PPT

图7 不同雷诺数下的空气侧对流换热系数、压降、温差和努塞尔数的变化

由图7可知，凡雷诺数增大，其努塞尔数减小。较小的翅片间距使上下翅片表面的流动边界层互相干扰，削弱边界层厚度，提高了换热效果。雷诺数由676.79增加到2 030.39时，努塞尔数的下降趋势明显变得缓和。

表5为不同雷诺数与换热因子

j

、摩擦因子

f

和综合换热因子

j / f

的关系。

表5 不同雷诺数与换热因子、摩擦因子和综合换热因子的关系

雷诺数	$j$	$f$	$j / f$
676.79	0.074	0.38	0.20
1 353.59	0.064	0.19	0.34
2 030.39	0.063	0.14	0.43

图8为不同雷诺数下的换热因子、摩擦因子和综合换热因子。由图8可知，雷诺数增大，

j

和

f

均减小，

j / f

增大。雷诺数分别为676.79、1 353.59和2 030.39时，

j

下降了13.70%和2.23%。

f

下降了50%和4.52%。这表明翅片间距变大，雷诺数变大，边界层变厚，流体掺混作用减弱，换热效果降低，流体阻力损失也减少，但影响作用随着雷诺数的增大而趋于平缓。

j / f

增加了72.61%和28.28%，这说明只增大翅片间距能够提升换热器的综合换热性能。雷诺数为676.79时，综合换热因子最小，表明小翅片间距的整体性能较差，随着雷诺数的进一步增大^［14］，翅片间距对综合换热能力的影响作用逐渐减小，换热效率的提升幅度呈2.5倍降低。

显示原图|下载原图ZIP|生成PPT

图8 不同雷诺数下的换热因子、摩擦因子和综合换热因子

3.2 来流速度改变的雷诺数对翅片式换热器换热性能的影响

为研究来流速度改变的雷诺数对翅片式换热器换热性能的影响，设置来流速度分别为2、4、6、8、10 m/s的5组翅片式换热器进行数值计算^［15］，所得雷诺数如表6所示。

表6 不同来流速度下的雷诺数

速度/（m·s^-1）	雷诺数
2	1 355.09
4	2 710.18
6	4 065.27
8	5 420.35
10	6 775.44

分析来流速度对翅片式换热器传热和流动特性的影响。图9为翅片式换热器不同来流速度影响下不同雷诺数的切面流线图。

显示原图|下载原图ZIP|生成PPT

图9 不同来流速度影响下不同雷诺数的切面流线图

图10为翅片式换热器不同雷诺数下的切面压力云图。由图10可知，气流在流过换热器时，总压逐渐降低，速度增加压降增大。

显示原图|下载原图ZIP|生成PPT

图10 不同雷诺数下的切面压力云图

图11为翅片式换热器不同雷诺数下的切面温度云图。从图11可看出，在不同雷诺数下，空气温度分布相似。来流速度增加，雷诺数增加，出口温度升高。当其他条件不变时，空气通过的速度变大，空气被冷却的能力有限，出口温度比来流速度小时会略有升高。

显示原图|下载原图ZIP|生成PPT

图11 不同雷诺数下的切面温度云图

由于云图不易得出雷诺数对换热器性能的影响规律，所以引入换热因子、摩擦因子和综合换热因子进行进一步分析。

表7为不同雷诺数下的出口速度、对流换热系数、压降、温差和努塞尔数。由表7可知，对流换热系数压降随着雷诺数的增加而增加，温差随着翅片间距的增加而减小。不同雷诺数对应的对流换热系数、压降、温差和努塞尔数变化图如图12所示。

表7 不同雷诺数下的出口速度、对流换热系数、出入口压降、温差和努塞尔数

雷诺数	出口速度/ （m·s^-1）	对流换热系数（W·m²·K^-1）	压降/Pa	温差/K	努塞尔数
1 355.09	2.00	37.80	17.13	11.73	15.62
2 710.18	4.00	62.30	48.01	9.70	25.75
4 065.27	6.01	83.19	90.92	8.55	34.37
5 420.35	8.01	102.61	148.83	8.01	42.40
6 775.44	10.01	117.52	215.34	7.35	48.56

显示原图|下载原图ZIP|生成PPT

图12 不同雷诺数对应的对流换热系数、压降、温差和努塞尔数变化图

由图12中可知，努塞尔数随着雷诺数的增加逐渐增大，由于速度增大，雷诺数增大，换热器的对流换热能力也增大，反映对流换热强弱的努塞尔数也呈现增大的趋势。

表8为不同雷诺数对应的换热器换热因子、摩擦因子和综合换热因子。

表8 不同雷诺数对应的换热器换热因子、摩擦因子和综合换热因子

雷诺数	$j$	$f$	$j / f$
1 355.09	0.023 0	0.85	0.027
2 710.18	0.016 0	0.64	0.024
4 065.27	0.012 0	0.54	0.022
5 420.35	0.009 8	0.46	0.021
6 775.44	0.008 8	0.44	0.020

图13为不同雷诺数对应的换热因子、摩擦因子和综合换热因子。由图13可知，雷诺数增大导致

j

和

f

均减小，

j / f

也减小。当雷诺数分别为1 355.09、2 710.18、4 065.27、5420.35和6 775.44时，

j

分别下降了31.69%、24.05%、17.61%和10.31%，

f

分别下降了24.65%、16.58%、13.46%和5.25%，这表明来流速度越大，影响作用随来流速度的增大趋于平缓。

j / f

分别减小了9.34%、8.96%、4.79%和5.34%，说明增大来流速度换热器综合换热性能降低，下降程度趋于平缓。

显示原图|下载原图ZIP|生成PPT

图13 不同雷诺数对应的换热因子、摩擦因子和综合换热因子

4 结论

改变翅片间距和来流速度造成的雷诺数，采用数值模拟方法得出以下结论：

1）为确定不同换热器翅片间距对应的雷诺数对换热器换热性能的影响，本文分别设计了翅片间距

F P

为2、4、6 mm的3组实验。翅片间距越大，雷诺数越大，

j / f

分别提升了72.61％和28.28％，表明翅片间距增加影响的雷诺数增大可以提升换热器的综合换热效率，并且随着换热器雷诺数的增加，换热效率的提升幅度呈2.5倍降低。

2）通过改变来流速度改变雷诺数。研究雷诺数对传热特性和流动特性的影响，本文设计了来流速度分别为2、4、6、8和10 m/s的5组实验，随着来流速度的增加，雷诺数增大，

j / f

下降了9.34%、8.96%、4.79%和5.34%，来流速度越大，换热效率越低，降幅趋于平缓。

3）翅片间距和来流速度的改变对换热器性能的影响不同，因为翅片间距改变直接影响流体流动的路径和边界层的发展。翅片间距的增加通过减少流动阻力、提高换热面积、优化传热和阻力性能来提高综合换热效率；来流速度的提升虽然可以增加流体的湍流度和传热效率，同时也可能增加压力损失、导致温度分布不均、流动状态不稳定、换热面积利用不充分及减少流体滞留时间，这些因素可能导致综合换热因子降低。

参考文献

原文顺序 | 文献年度倒序 | 文中引用次数倒序

[1]	刘园园. 车载变压器散热器空气侧传热和流动特性的数值研究［D］. 天津：河北工业大学，2012.

[2]	刘启航，闻洁，吕璐璐，等.紧凑翅片管式空气-燃油换热器试验［J］.航空动力学报，2023，38（12）：2848-2860.

[3]	赵波，陈振华，李为民，等.风洞板翅式热交换器气体流动特性试验［J］.实验流体力学，2022，36（1）：69-76.

[4]	康海军，李娬，李惠珍，等.平直翅片管换热器传热与阻力特性的实验研究［J］.西安交通大学学报，1994，28（1）：91-98.

[5]	Jajja S A， Ali W， Ali H M，et al.Water cooled minichannel heat sinks for microprocessor coo-ling：Effect of fin spacing［J］.Applied Thermal Engineering，2014，64（1/2）：76-82.

[6]	冉晴，崔明辉，刘涛.翅片管式换热器的研究进展［J］.区域供热，2022（5）：129-135.

[7]	李佳华，孟荣丽，芮新芳，等.翅片结构对微型平板换热器换热性能的影响［J］.化学工程，2023，51（8）：39-43.

[8]	郑俊.翅片管式换热器的数值模拟研究［D］.长沙：湖南大学，2020.

[9]	靳万龙，范高峰，王利民，等.整体型螺旋翅片管束流动换热特性数值研究［J］.热力发电，2021，50（7）：31-39.

[10]	张恒.翅片管式换热器的传热与流动特性数值研究及结构优化［D］.济南：山东大学，2023.

[11]	潘先锋.脉动振动对汽车散热器传热与阻力性能的影响研究［D］.上海：上海工程技术大学，2015.

[12]	涂国辉.先进旋涡燃烧室的冷态流动特性数值研究［D］.南昌：南昌航空大学，2013.

[13]	丁伟翔，王志毅.集约型AHU内椭圆管翅片换热器空气侧特性的数值模拟［J］.浙江理工大学学报（自然科学版），2017，42（1）：63-70.

[14]	李闯，殷玉枫，郑瑶，等.风力机翼型定常粘性分离流动分析与数值模拟［J］.太原科技大学学报，2019，40（2）：137-143.

[15]	刘晓红，徐涛，张正国.螺旋隔板单管换热器性能实验研究［J］.广东轻工职业技术学院学报，2005，4（4）：19-22.

Options

文章导航

模态框（Modal）标题

摘要

本文引用格式

Abstract

1 翅片式换热器基本结构及参数

1.1 基本结构

图1 三排基管换热器结构

表1 翅片式换热器主要结构尺寸 (mm)

1.2 结构简化

图2 翅片式换热器计算区域及边界条件示意图

图3 切面位置示意图

1.3 计算方法和边界条件设置

1.4 控制方程

2 计算网格

表2 网格无关性验证

3 计算结果分析与讨论

3.1 翅片间距改变后的雷诺数对换热器性能的影响

表3 不同翅片间距对应的雷诺数

图4 不同翅片间距雷诺数对应的翅片式换热器的切面流线图

图5 不同雷诺数的切面压力云图

图6 不同雷诺数的切面温度云图

表4 不同雷诺数与空气侧对流换热系数、压降、温差和努塞尔数的关系

图7 不同雷诺数下的空气侧对流换热系数、压降、温差和努塞尔数的变化

表5 不同雷诺数与换热因子、摩擦因子和综合换热因子的关系

图8 不同雷诺数下的换热因子、摩擦因子和综合换热因子

3.2 来流速度改变的雷诺数对翅片式换热器换热性能的影响

表6 不同来流速度下的雷诺数

图9 不同来流速度影响下不同雷诺数的切面流线图

图10 不同雷诺数下的切面压力云图

图11 不同雷诺数下的切面温度云图

表7 不同雷诺数下的出口速度、对流换热系数、出入口压降、温差和努塞尔数

图12 不同雷诺数对应的对流换热系数、压降、温差和努塞尔数变化图

表8 不同雷诺数对应的换热器换热因子、摩擦因子和综合换热因子

图13 不同雷诺数对应的换热因子、摩擦因子和综合换热因子

4 结论

参考文献