学术报告

本文档为一篇单一原创研究（类型a）的学术论文。研究主题为竖插翅片微通道换热器（vertical-fin microchannel heat exchanger）空气侧积灰特性对换热器性能的影响分析。以下将按研究背景、具体流程、实验结果、研究结论及亮点对该文档提供详尽报告。

一、研究基本信息

这项研究由西安交通大学制冷与低温工程系黄东教授、王国华、郭文华、赵赞和赵日晶完成，论文发表于《制冷与空调》（refrigeration and air-conditioning）期刊的第25卷第1期，发布日期为2025年1月。研究编号为国家自然科学基金项目编号52476017，相关DOI为10.20245/j.issn.1009-8402.2025.01.010。

二、学术背景

竖插翅片微通道换热器（vertical-fin microchannel heat exchanger, VMCHX）是一种高效、紧凑、低充注量的换热设备，近年来在空调领域应用广泛。传统翅片结构的研究已表明积灰现象会严重影响换热器的长效性能，但针对VMCHX的空气侧积灰特性的研究仍较少。

VMCHX因其独特的结构设计，特别是在湿润工况如凝露、结霜和除霜等场景中，表现出优异的排水性能，被认为是下一代微通道换热器技术的重要代表。然而，长期运行过程中空气中的粉尘颗粒物沉积在换热器翅片表面，导致设备热传递效率下降、空气流动阻力增加，极大限制了其综合性能的发挥。因此，研究VMCHX的积灰分布特性、影响因素及厚度变化对换热性能的具体作用机制，为未来优化该换热器的设计和应用提供了必要的理论依据。

三、研究流程

本研究通过搭建颗粒物沉积仿真模型，对竖插翅片微通道换热器的颗粒运动轨迹和表面积灰分布特性进行研究，并进一步定量分析积灰厚度对空气侧换热性能的影响。

1. 翅片结构与研究参数

作者对VMCHX的具体结构进行了详细描述，包括翅片间距、流动长度、翅片厚度及百叶窗和波纹的具体角度等。与此同时，明确了空气入口风速、颗粒物浓度与粒径范围（2–100μm）的实验条件。

2. 建立颗粒物沉积仿真模型

研究采用标准k-ω湍流模型计算翅片间的气流速度分布，并利用拉格朗日方法（Lagrange method）追踪颗粒物在流场中的碰撞与沉积行为。这一仿真模型同时整合了曳力（drag force）、入射角、入射颗粒动能与弹性能等多种影响因子，综合判断颗粒物沉积标准。实验中，对局部沉积率（racc）采用统计方法，结合用户自定义函数（UDF），实现精准计算。

仿真模型通过前期实验数据的校对验证，其摩擦因子最大偏差均控制在10%以内，表明模型具有较高的准确性和可用性。

3. 数据分析与参数选择

研究主要评估颗粒物的运动轨迹、颗粒沉积率的影响因素，以及积灰厚度对Nu数（努塞尔数）、f因子（摩擦因子）和PEC（性能评价因子）的影响，对比不同粒径、风速和积灰厚度的条件，明确颗粒物沉积分布规律和换热性能的变化趋势。

四、主要结果

1. 颗粒物运动轨迹分析

仿真显示，小粒径颗粒更易随主流气流运动，但在百叶窗迎风区域和波纹翅片波谷滞止区存在明显沉积；大粒径颗粒因动能较大，大多与翅片碰撞后反弹，仅少量沉积在翅片背风区域。空气速度影响颗粒物在翅片内的路径分布：高风速下颗粒更容易与迎风面碰撞。

2. 颗粒物沉积特性

实验表明，颗粒沉积率随粒径增加先增大后减小，在粒径为10μm时达到峰值。不同行径颗粒的沉积率在相同风速条件下存显著差异：小粒径沉积率随风速增加而升高，而大粒径颗粒则呈现“先增后降”趋势。

在空气速度为4m/s时，10μm颗粒的沉积率比1.6m/s条件下高出66%。这表明颗粒动能与沉积率之间关系密切，表面贴附能量和入射角也起到重要作用。

3. 积灰厚度对性能的影响

又分别研究了不同积灰厚度下的Nu、f与PEC参数。当积灰厚度调整至0.15mm时，Nu数下降4.0%，摩擦因子增加61.6%，PEC降低18.2%。主要影响原因在于积灰的低导热性能以及对流场的占据，显著增加了传热和流动阻力。

五、研究结论

通过对颗粒沉积特性与积灰厚度影响的分析，该研究得出以下主要结论：

1. 竖插翅片面对迎风方向积灰显著，百叶窗区域为颗粒物堆积的主要位置，背风区域主要为大粒径颗粒物沉积；
2. 积灰厚度是影响换热器性能的关键因素，直接降低了传热能力并增加了流体阻力；
3. 仿真结果为优化VMCHX设计提供了科学依据，可帮助未来提升其在空调领域的应用性能。

六、研究亮点

该研究的亮点主要集中在以下几点：

1. 全面的仿真模型：首次利用拉格朗日方法结合标准k-ω湍流模型，实现颗粒物运动轨迹及表面积灰特性全流程模拟，提供了颗粒动态行为与沉积位置分布的精准预测。
2. 综合性能评价：通过PEC指标的引入，定量化评价积灰厚度对换热性能的综合性影响，为后续模型优化提供了创新性工具。
3. 实验与数值验证结合：实验数据的验证加强了模型的可信度，且多变量参数的研究覆盖了实际应用的大部分工况。

七、研究意义和应用

该研究为优化竖插翅片微通道换热器提供了理论支持，为设计优异的防积灰特性设备铺平了道路。研究结果既有利于延长空调中换热器的使用寿命，也为相关领域如工业制冷提供了新型高性能设备设计的理论基础。

此外，研究采用的仿真模型和参数化分析方法，还可应用于其他复杂结构换热设备的研究中，具有较高的拓展价值和科学意义。