要：管带式散热器外表面的空气流动与换热状况关系到发动机的动力性及燃油经济性。笔者根据场协同理论，采用数值模拟的方法对流经散热器翅片周围空气的速度场和温度场进行模拟计算，探讨了翅片的结构参数对流场的场协同角的影响。该方法从场协同角的角度为散热器翅片的结构优化设计提供了参考。

    0 引言
    对于对流换热问题存在两个基本的矢量场，一个是流体流动时的速度场，另外一个是由于流体的温度不均匀时产生的温度梯度场，由于温度梯度具有方向性，因此温度梯度场也是一个矢量场。场协同原理由过增元教授及其合作者于1998年提出，其内容可以表述为：对流换热的性能除了和流体的速度和物性以及流体与固壁的温差有关外，还与流体速度场与流体热流场间协同的程度相关。在相同的速度和温度边界条件下，它们的协同程度愈好，换热强度愈高。

    1 二维流场场协同理论
    从二维平板层流边界层问题的能量守恒方程出发，将能量守恒方程和导热问题的能量守恒方程进行对比，可得到对流换热问题的场协同角度的物理机制。

    式中β----速度矢量和温度梯度矢量的夹角，也叫场协同角。
    从式（3）可以看出，速度矢量和温度梯度矢量的夹角，即场协同角对积分结果有直接关系，当该角度为0°时，积分值最大，该角度为90°时，积分值为零。角度越小，对传热越有利，反之亦然。

    2 翅片结构对散热器空气侧强化换热的场协同仿真分析
    在管带式散热器表面布置百叶窗结构，一方面是为了增加散热表面积，另一方面是为了增强对空气的扰动，削弱层流底层的影响。扰动作用的结果是改变速度矢量和温度梯度矢量之间的协同程度，即改变整个或者局部流场区域内的场协同角。使得场协同角度尽可能小，积分值尽可能大，获得最佳的对流换热系数。
    图1所示为散热器翅片及其周围空气的有限元网格模型。流场计算方法为SIMPLE算法。SIMPLE算法是一种主要用于求解不可压流场的数值方法。

    从图2和图3可以看出，在无百叶窗翅片部分，流体速度矢量一致，流场分布如图2左边部分所示。等温线分布均匀，其温度梯度方向基本垂直于翅片表面，未开百叶窗部分，翅片周围区域场协同角分布均匀，场协同角度在85°～91°之间，在离翅片较远的区域，场协同角稍小，在70°～85°之间。根据场协同理论，场协同角较大时不利于传热，因此，无百叶窗翅片部分传热效果不佳。



    从图4、图5可知，在有百叶窗部分，百叶窗的存在加强了对流场的扰动作用，空气流经百叶窗时流动方向发生改变，沿百叶窗表面，由于边界层开始被间断的百叶窗破坏，温度场和流场分布也相应发生变化，速度矢量方向与温度梯度方向夹角在这一区域开始减小（<90°），流场与温度场协同性得到改善，传热得到强化。



    在开百叶窗部分，流场和温度场的协同角分布不均匀，在翅片周围以及离翅片较远的区域，场协同角分布均呈现明显的分布不均。但总的来说，场协同角小于90°的区域远大于未开百叶窗部分。这表明，百叶窗在改善空气和翅片之间的换热方面具有强化作用，而这一强化机制可以从改善速度场和温度场的协同性方面进行阐述。

    3 空气流速对散热器空气侧强化换热的场协同仿真分析
    空气流速对换热的影响和雷诺数相关，在临界雷诺数前后，流场将发生层流到紊流的转变。从场协同的角度来看，实质是流场的场协同性由不一致向一致的转变。从整个空气流场来看，随着气流速度的不断增大，流场由于扰动增强发生显著变化，温度也随之发生改变。两者之间的协同性将空气的流场和温度场对于换热的影响统一起来。从翅片通道的局部区域来看，由于百叶窗的存在，空气流速的增大，百叶窗周围的流场和温度场的协同性呈现一定规律性。
    对应人口空气流速2.0 rn/s、8. 0 m/s、14 m/s时，翅片通道对称面上的场协同角分布分别如图6～8所示。





    如图6～8所示，当翅片周围空气流速较低（2 m/s）时，空气在流场大部分区域内的场协同角分布较为均匀，这些区域场协同角的值约在72°～108°之间，大部分区域角度值小于90°。当人口空气流速增大至8. 0 m/s时，从图7可以看出，沿着百叶窗开窗方向，翅片尾部区域出现较长的大场协同角区，这些区域的场协同角约在117°～170°之间，该区域对应的翅片表面传热系数在286～539 W/m2· K，而在翅片的前端，该区域的场协同角随空气流速的增大有所减小，约在9°～54°之间，该区域对应的翅片表面传热系数在791～1044 W/m2·K。空气流速的进一步增大至v=14. 0 m/s，场协同角在整个流场区域内分布的不均匀性越来越明显，但在某一个翅片周围的空气流场周围，场协同角的分布趋势是一致的。总的来看，翅片周围的场协同角随空气流速的增大而减小，空气流速增加有利于强化传热。

4结论
    （1）通过比较翅片有百叶窗部分与无百叶窗部分的场协同角，可以看出有百叶窗部分的场协同性好于无百叶窗部分场协同性，这反映了百叶窗在改善空气和翅片之间的换热方面具有强化作用，这种作用主要通过其扰动作用来实现。
    （2）在百叶窗翅片周围，场协同角分布情况有所差异，在百叶窗前端，即迎风端，场协同角较大，在百叶窗后端，即背风端，场协同角较小，与此相对应，百叶窗翅片的前段表面传热系数要大于百叶窗后端。
（3）随空气流速的增大，翅片周围的场协同角随空气流速的增大而减小，空气流速增加有利于强化传热。