流体机械

扁管式蒸发冷凝器数值模拟与优化设计

何嘉欣 ¹ , 雷睿 ¹ , 何凌轩 ¹ , 刘斌 ² , 胡海涛 ¹ , 李轩 ³

流体机械 | 设计计算 2026,54(4): 63-69

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流体机械 |设计计算 2026 , 54 (4) : 63 -69

扁管式蒸发冷凝器数值模拟与优化设计

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何嘉欣¹, 雷睿¹, 何凌轩¹, 刘斌², 胡海涛¹, 李轩³

作者信息

¹上海交通大学制冷与低温研究所，上海 200240

²浙江英特科技股份有限公司，浙江湖州 313300

³南京天洑软件有限公司，南京 211106

作者简介:

何嘉欣（2000），女，硕士研究生，主要从事换热器优化仿真方面的研究，通信地址：200240上海市闵行区上海交通大学闵行校区机械与动力工程学院，E-mail：hejiaxin@sjtu.edu.cn。

Numerical simulation and optimal design of oval tube evaporative condenser

Jiaxin HE¹, Rui LEI¹, Lingxuan HE¹, Bin LIU², Haitao HU¹, Xuan LI³

Affiliations

¹Institute of Refrigeration and Cryogenics Engineering，Shanghai Jiao Tong University，Shanghai 200240，China

²Zhejiang Extek Technology Co.，Ltd.，Huzhou 313300，China

³Nanjing Tianfu Software Co.，Ltd.，Nanjing 211106，China

出版时间: 2026-04-30 doi: 10.3969/j.issn.1005-0329.2026.04.008

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摘要

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针对扁管式蒸发冷凝器在降低空气侧压降与提升综合性能方面潜力显著，但其内在影响机理尚不明确的问题，采用数值模拟方法，系统研究操作参数与结构参数对扁管式蒸发冷凝器性能的作用机理。重点分析空气流速与喷淋量对换热与压降特性的影响，并对比不同结构扁管与圆管的性能差异，以确定最优结构参数。结果表明，空气流速对换热量和压降具有显著影响，喷淋量存在临界值（20 m³/h），超过该值后换热量提升幅度显著减小；在相同工况下，扁管结构较圆管展现出明显的性能优势，总换热量提升11.1%，同时压降降低35.7%。通过参数优化确定扁管式蒸发冷凝器最佳长短轴比值为1.74。研究从机理层面揭示了结构参数对性能的作用机理，为蒸发冷凝器的工程设计与性能优化提供理论依据与数据支撑。

关键词

扁管式蒸发冷凝器 / 结构参数 / 换热与压降特性 / 长短轴比

Abstract

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To address the significant potential of oval tube evaporative condensers in reducing air‑side pressure drop and enhancing overall performance，yet the underlying mechanism of its influence remains unclear，a numerical simulation method was employed to systematically investigate the effects of operating parameters and structural parameters on the performance of oval tube evaporative condensers.The analysis focused on the influences of air velocity and spray water flow rate on heat transfer and pressure drop characteristics，and the performance differences between oval tube and round tube structures were compared to determine the optimal structural parameters.The results indicate that air velocity has a significant impact on heat transfer rate and pressure drop.A critical spray water flow rate of 20 m³/h is identified，beyond which the increase in heat transfer rate diminishes considerably.Under identical operating conditions，the oval tube structure demonstrates a clear performance advantage over the round tube structure，achieving an 11.1% increase in total heat exchange capacity and a 35.7% reduction in pressure drop. Through parameter optimization，the optimal aspect ratio for the oval tube evaporative condenser was determined to be 1.74. This study elucidates the mechanism by which structural parameters influence performance，providing theoretical guidance and data support for the engineering design and performance optimization of evaporative condensers..

Key words

oval tube evaporative condenser / structural parameters / heat transfer and pressure drop characteristics / aspect ratio

引用本文

何嘉欣, 雷睿, 何凌轩, 刘斌, 胡海涛, 李轩. 扁管式蒸发冷凝器数值模拟与优化设计. 流体机械, 2026 , 54 (4) : 63 -69 . DOI: 10.3969/j.issn.1005-0329.2026.04.008

Jiaxin HE, Rui LEI, Lingxuan HE, Bin LIU, Haitao HU, Xuan LI. Numerical simulation and optimal design of oval tube evaporative condenser[J]. Fluid Machinery, 2026 , 54 (4) : 63 -69 . DOI: 10.3969/j.issn.1005-0329.2026.04.008

正文

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0　引言

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云计算、大数据等技术的普及推动了数据中心的快速发展。数据中心的散热设备能耗占比接近40%，高效制冷技术的研发成为数据中心可持续发展的重要课题^［1］。蒸发冷凝器融合了水冷冷凝器与冷却塔的双重功能，通过充分利用冷却水蒸发吸收潜热来承担热负荷，具有传热效率高、水资源循环利用和节能环保的优势^［2-4］。蒸发冷凝器的运行机制为：冷却介质在管内流动，热量通过管壁传导至外部；在管外，热量通过空气和喷淋水与管壁的对流换热，以及喷淋水的蒸发过程，被有效地释放到环境中^［5］。由于该过程涉及复杂的传热传质机理，现有研究方法存在分歧，且数值仿真中的假设与模型的不合理可能导致结果偏差。因此，系统研究蒸发冷凝器的传热传质机理具有重要的学术意义和应用价值。

近年来，许多学者采用不同的数值仿真模型，对蒸发冷却器的传热传质特性展开研究。当前已有的研究中，所采用的CFD数值仿真模型集中在连续相的VOF （volume of fluid）模型和离散相的DPM （discrete phase model）模型。针对喷淋水在空间内连续分布的工况，研究者主要采用基于流体体积的VOF模型。CHEN等^［6］通过模拟喷淋水在水平管束间的降膜流动，获取了不同流速下，液滴-柱状、柱状-片状转变的临界喷淋密度。张梦超^［7］通过VOF方法建立了三维物理与数学模型，分析了气液对流条件下，柱状流管表面液膜厚度的分布特性，并研究了喷淋密度、迎面风速，以及喷淋海水浓度对传热传质过程的影响规律。ZHOU等^［8］通过建立水平管降膜蒸发的双相耦合传热模型，深入分析了喷淋密度对水平管表面液膜厚度分布，以及周向和轴向换热系数的作用机制。张庆等^［9］基于欧拉壁面液膜模型与混合物组分输运模型，开发了蒸发凝汽器管外气液对流条件下降膜蒸发的三维数值计算模型。XIE等^［10］利用VOF多相流模型与SST k-ω湍流模型，模拟了台式封闭湿式冷却塔中交错管束内的逆流空气-水流行为，重点探讨了喷淋密度和空气速度对空气湿度和传质过程的影响规律。尹应德等^［11］利用VOF界面追踪方法，对空气与水膜间的传热传质过程进行数值模拟，同时结合RNG k-ε湍流模型捕捉界面湍流特性。

基于离散相的DPM模型适用于喷淋水不连续且均匀分布的工况。采用VOF模型的数值计算，通常通过设置喷淋水入口的大小来控制管壁液膜的厚度，DPM模型则假设喷淋水是在空间内离散分布，且随机均匀地落在喷淋管上。麻宏强等^［12］考察了喷淋水在交错管束中的动态行为及其传热传质机制，研究结果显示，空气流速对传热传质效率的影响远超过喷淋水流量。李睿等^［13］应用标准k-ε模型和DPM模型，对管式间接蒸发冷却器的性能进行数值模拟与性能评估。CUI等^［14］采用欧拉-拉格朗日方法，将空气流视为连续相，求解了水滴的离散相行为。吴学红等^［15］研究发现，较小通道尺寸能够显著提高降温效果，而较大通道尺寸则表现出较低的压力变化，表明进气速度和通道尺寸对蒸发冷却器性能具有显著影响。XIE等^［16］基于DPM模型揭示了操作参数和结构参数对传热传质过程的作用机理，并建立了热传递系数、质量传递系数与压降之间的相关关系。

现有研究多聚焦于单一结构参数对整体传热或压降性能的影响，且分析范围往往局限于管外换热过程，导致管内、外热阻的耦合作用机制尚未被充分揭示。

通过对比不同结构参数下，扁管式蒸发冷凝器的传热与流动特性，研究结构参数变化对管内外两侧热阻的影响差异，从热阻分布的视角阐明结构参数影响传热性能的内在机理，为扁管式蒸发冷凝器的结构设计与性能优化提供理论依据和实践指导。

1　数值模型及验证

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1.1　物理模型

本文针对扁管式蒸发冷凝器开展研究。扁管式蒸发冷凝器工作原理及计算域如图1所示。从图1（a）可见，高温制冷剂工质在扁管内部沿管束轴向流动，管内工质携带的热量通过管壁导热传递至管外表面；设备顶部喷淋系统持续向下喷淋冷却水，水滴在重力作用下撞击扁管外壁并铺展形成连续液膜，部分未附着管壁的离散水滴悬浮于管束间空气流道。环境空气由设备下部迎风面进入管束区域，与管外喷淋水膜形成逆向对流耦合换热，一方面通过显热交换带走管壁热量，另一方面利用水膜蒸发产生相变潜热大幅提升热交换能力，蒸发生成的水蒸气随主流空气从设备上部排出，完成热量向环境释放。如图1（b）所示，截取垂直管束截面作为仿真对象，完整保留单根扁管外周气液两相流动、液膜铺展、热质交换核心区域，同时对上下空气进出口、喷淋水滴入射边界进行完整建模，忽略管束轴向长度变化带来的边界效应，在保证仿真精度的前提下简化三维复杂几何，聚焦扁管截面形状、气液两相横向耦合作用对换热与空气侧压降的影响规律。计算域通过垂直于管束的二维平面进行定义。

1.2　数学模型

本文基于DPM模型与组分输运模型，系统分析以下物理过程：喷淋液滴在管壁表面形成液膜的动态特性；液滴与空气介质之间的热质交换行为；液滴和液膜蒸发生成的蒸汽在空气中的扩散机制。

鉴于上述传热传质过程具有显著的复杂性特征，为简化计算过程，对相关物理过程进行如下理论假设：

（1）管壁表面的润湿性沿管轴方向保持不变；

（2）喷淋水可视为球形液滴，其在管束外部气-水两相流区域中的体积分数低于12%^［12］；

（3）空气与喷淋水均作为不可压缩流体，其物性参数为常数。

管外喷淋水-湿空气传质方程：

m a i r H ∂ ρ a i r ∂ x = K a i r - w a t e r A a i r - w a t e r A t u b e d s a t u r a t e d - d a i r

（1）

K a i r - w a t e r = S h D L ρ a i r

（2）

式中，m_air为空气质量流量，kg/s；H为管束的高度，m；ρ_air为空气密度，kg/m³；x为管束沿轴向长度，m；K_air-water为空气与喷淋水的传质系数，kg/（m²⋅s）；A_air-water为空气与喷淋水热质交换的面积，m²；A_tube为管束的面积，m²；d_saturated为饱和空气的含湿量，kg/kg；d_air为空气的含湿量，kg/kg；Sh为舍伍德数；D为水蒸气和空气的质扩散系数，m²/s；L为管束的宽度，m。

喷淋水蒸发形成水蒸气，热量被湿空气带走，排到外界环境，其传热方程：

m a i r H ∂ h a i r ∂ x = α a i r - w a t e r A a i r - w a t e r A t u b e t w a t e r - t a i r + r w a t e r K a i r - w a t e r A a i r - w a t e r A t u b e d s a t u r a t e d - d a i r

（3）

α a i r - w a t e r = K a i r - w a t e r c p a i r

（4）

式中，h_air为空气的焓值，J/kg；α_air-water为空气与水的对流换热表面传热系数，W/（m²⋅℃）；t_water为冷却水温度，℃；t_air为空气温度，℃；r_water为水的汽化潜热，J/kg；c_p_air为空气的比热容，J/（kg⋅℃）。

管内管外总热阻计算式：

R t o t a l = R i n + R o u t = R c o n v e n c t i o n + R f o u l i n g, i n + R t u b e + R f o u l i n g, o u t + R w a t e r f i l m + R a i r - w a t e r

（5）

式中，R_total为管内管外总热阻，m²⋅℃/W；R_convenction为对流换热热阻，m²⋅℃/W；R_fouling，in，R_{fouling，out}分别为管内和管外污垢热阻，m²⋅℃/W；R_tube为管壁热阻，m²⋅℃/W；R_waterfilm为管外水膜导热热阻，m²⋅℃/W；R_air-water为水膜与空气间的对流传质热阻，（m²⋅℃）/W。

管外水膜导热热阻的计算式：

R w a t e r f i l m = δ f i l m λ w a t e r

（6）

R a i r - w a t e r = t w a t e r - t a i r h m a s s ρ a i r h s a t u r a t e d - h a i r

（7）

式中，δ_film为水膜厚度，与喷淋水量直接相关，m；λ_water为喷淋水的导热系数，W/（m⋅℃）；h_mass为传质系数；h_saturated，h_air分别为水膜表面饱和空气焓和空气主流焓，J/kg。

喷淋侧的热量传递方程：

m w a t e r L ∂ h w a t e r ∂ z = α a i r - w a t e r A a i r - w a t e r t a i r - t w a t e r / A t u b e + r w a t e r K a i r - w a t e r A a i r - w a t e r d a i r - d s a t u r a t e d / A t u b e - k r e f - w a t e r A r e f - w a t e r t w a t e r - t r e f / A t u b e

（8）

式中，m_water为喷淋水的质量流量，kg/s；h_water为喷淋水的焓值，J/kg；z为管束的纵向高度，m；k_ref-water为管内工质与冷却水的传热系数，W/（m²⋅℃），m；A_ref-water为管内工质与喷淋水的传热面积，m²；t_ref为管内工质温度，℃。

管内工质到管外喷淋水的热量传递方程：

m r e f L ∂ h r e f ∂ z = k r e f - w a t e r A r e f - w a t e r A t u b e (t w a t e r - t r e f)

（9）

式中，m_ref为管内工质质量流量，kg/s；h_ref为管内工质的焓值，J/kg；t_ref为管内工质温度，℃。

k r e f - w a t e r = 1 / (1 / α r e f + δ t u b e / λ t u b e + 1 / α w a t e r + R f o u l i n g, i n + R f o u l i n g, o u t)

（10）

式中，δ_tube为管壁厚度，m；λ_tube为板片导热系数，W/（m²⋅℃）；α_water和α_ref分别为喷淋水侧和工质侧的换热系数，W/（m²⋅℃）。

管内热阻公式：

R i n = 1 k r e f - w a t e r

（11）

1.3　模型验证

在ICEM中对模型进行网格划分，网格采用结构化网格，并在靠近管壁处划分边界层。如图2所示，分别取网格数量为19 800，76 000，154 020，323 400，407 920，在空气流速为3 m/s，喷淋水温度为24 ℃，空气进口温度为24 ℃，壁面温度为38 ℃的工况下，对比采用不同网格时空气的出口温度。在网格数量达到154 020，继续增加网格数量，空气出口温度没有明显变化，兼顾计算精度和计算时间，选择网格数154 020对应网格尺寸大小进行划分。为验证所建模型的可靠性，将本文模型结果与文献［16］的试验数据和文献［17］的模拟结果进行对比。图3示出在喷淋水流量0.025 kg/（m²⋅s）、入口空气湿球温度14 ℃、空气质量流速0.015 1 kg/（m²⋅s）条件下的换热量对比结果。本文模型结果与文献［17］结果的最大相对偏差在5%以内，表明所采用的模拟方法具有良好的准确性。

2　蒸发冷凝器数值模拟

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2.1　空气流速对蒸发冷换热器性能的影响

不同空气流速下，蒸发冷凝器的总换热量如图4所示。

从图可见，空气流速从2.5 m/s增加到4 m/s，长短轴比1.45扁管式蒸发冷凝器、长短轴比1.74扁管式蒸发冷凝器^［18］和圆管式蒸发冷凝器的总换热量分别增加了22.27%，20%，24.20%。空气流速增加有助于增强空气与管壁的对流换热，同时加强对空间流场的扰动，及时将带有喷淋水蒸发后水蒸气的湿空气排到外界，使得喷淋空间湿度下降，有助于喷淋水的进一步蒸发。

空气流速的增加使进出口空气压降增加，导致所需风机泵功耗的增加，如图5所示。空气流速从2.5 m/s增加到4 m/s，扁管式蒸发冷凝器和圆管式蒸发冷凝器的压降分别增加到原来的2.29，1.89倍。相比圆管式冷凝器，在空气流速相同的情况下，长短轴比为1.45的扁管式蒸发冷凝器压降最大降低35.7%。扁管式蒸发冷凝器的总换热量显著大于圆管式冷凝器，压降显著小于圆管式冷凝器。扁管式蒸发冷凝器中，长短轴比1.74扁管式蒸发冷凝器的单位面积传热量更大，其总换热量大于长短轴比1.45扁管式蒸发冷凝器。空气流速相同时，两者的压降相当。

2.2　喷淋水量对蒸发冷换热器性能的影响

不同喷淋水量下，蒸发冷凝器的总换热量如图6所示。从图可见，喷淋水量从10 m³/h上升到20 m³/h，管式蒸发冷换热器的总换热量都有大幅度提升。这一阶段的换热主要受制于管束外表面难以形成均匀的水膜，导致换热面积利用率下降，进而影响换热效率^［19-20］。随着喷淋水量的增加，水膜逐渐覆盖管束外表面，增大了有效换热面积，同时液膜流动的扰动增强，提升了水膜与空气之间的换热效果^［21］。当喷淋水量从20 m³/h上升到24 m³/h，蒸发冷凝器总换热量变化不大，这一阶段管束外表面的水膜厚度显著增加，导致水膜的传热热阻增大。喷淋水量为20 m³/h是总换热量变化的拐点^［22］，喷淋水量高于20 m³/h时，增加喷淋水量对总换热量提升的作用很小^［23-24］。相比圆管式冷凝器，在喷淋水量相同的情况下，长短轴比为1.74的扁管式蒸发冷凝器总换热量最大提升11.1%。

图7示出不同喷淋水量下，蒸发冷凝器的压降。喷淋水量的增加使压降略有上升，但总体而言变化不大。

3　结论

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通过计算流体动力学模拟，系统研究了扁管式蒸发冷凝器在不同操作参数与结构参数下的换热与压降特性，主要结论如下。

（1）空气流速对蒸发冷凝器的性能具有显著影响。随着空气流速从2.5 m/s增至4 m/s，长短轴比为1.45和1.74的扁管式蒸发冷凝器，以及圆管式蒸发冷凝器的总换热量分别提高了22.27%，20%，24.20%。同时，扁管式与圆管式结构的压降分别增至原来的2.29，1.89倍。表明提高空气流速虽可强化换热，但也将导致风机能耗显著上升。

（2）喷淋水量对换热性能的影响存在临界值。当喷淋量达到20 m³/h时，总换热量出现明显拐点；超过该值后，继续增大喷淋量对换热的提升效果显著减弱，此时管外液膜增厚导致热阻增大成为制约因素。

（3）相同运行条件下，扁管式蒸发冷凝器表现出优于圆管式的综合性能，其总换热量最大提升11.1%，压降降低35.7%，证实扁管结构在强化传热与降低流动阻力方面的优势。

（4）通过参数优化分析，确定扁管式蒸发冷凝器的最优长短轴比为1.74，该结构在换热量与压降之间取得最佳平衡，为工程实践中蒸发冷凝器的高效设计提供关键依据。

参考文献

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文献

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2026年第54卷第4期

113

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doi: 10.3969/j.issn.1005-0329.2026.04.008

接收时间：2025-05-25
首发时间：2026-10-22
出版时间：2026-04-30

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收稿日期：2025-05-25
修回日期：2025-11-19

基金

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¹上海交通大学制冷与低温研究所，上海 200240

²浙江英特科技股份有限公司，浙江湖州 313300

³南京天洑软件有限公司，南京 211106

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2种不同金属材料的力学参数

科 Family	属数 Number of genus	种数 Number of species	占总种数比例 Percentage of total species (%)	属 Genus	种数 Number of species	占总种数比例 Percentage of total species (%)
鹅膏菌科Amanitaceae	2	11	5.26	鹅膏菌属 Amanita	10	4.78
小菇科 Mycenaceae	2	12	5.74	丝盖伞属 Inocybe	5	2.39
多孔菌科 Polyporaceae	8	14	6.70	蜡蘑属 Laccaria	5	2.39
红菇科 Russulaceae	3	23	11.00	小皮伞属 Marasmius	6	2.87
				小菇属 Mycena	11	5.26
				光柄菇属 Pluteus	5	2.39
				红菇属 Russula	17	8.13
				栓菌属 Trametes	5	2.39

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