翅片管换热器广泛地应用在空调、动力等领域。 在设计空调器的换热器时，受装配空间的限制，翅片管换热器的整体形状多种多样。
根据各排换热管数和长度是否相同，可将翅片管换热器分为管排结构规则和管排结构不规则 2 类，如图 1 所示。
计算机仿真技术可以有效提升翅片管换热器的设计效率。但要实现管排结构不规则的翅片管换热器性能仿真，
需要解决以下 2 个问题：
不同的管排布置和不同的风向给空气状态的确定带来了困难。
本文的仿真对象是任意管排结构的翅片管换热器，包括管排结构规则的换热器和管排结构不规则的换热器。
各排管排的长度、宽度、高度和包含的换热管数目均完全相同，并且各排管排的迎风方向上的相对位置重合。
各排管排的换热管均为直管，并列排布，换热器整体形状为长方体。
表 1 “管排结构规则”一栏展示了所有可能的管排结构规则换热器的形式。
换热器管排中个别管排（子管排）的长度、宽度、高度或包含的换热管数目小于其余管排（主管排）；并且子管排与主管排在迎风方向上的相对位置不重合。根据子管排与主管排的相对位置不同，换热器可以分为侧边遮挡型、底边遮挡型和局部遮挡型 3 种形式。
具有弯折结构的换热管形状呈 L 形，换热器整体形状不规则。表 1 “管排结构不规则”一栏展示了所有可能的管排结构不规则换热器的形式。
管排结构规则的翅片管换热器可认为是管排结构不规则翅片管换热器中的特例。因此，在现有的结构规则换热器描述方法的基础上，增加能够反映不规则管排特点的描述方法，即可建立任意管排结构的翅片管换
热器的通用描述方法。
现有的结构规则换热器的描述方法是：将换热器各管排看作一个整体，利用换热器长度（ L ）、宽度（ W ）、高度（ H ）、管排数（ M ）和每排换热管数（ N ） 5 个换热器结构参数唯一确定换热器的结构，如图 2 所示。
结构不规则换热器的描述方法，在结构规则换热器的描述方法的基础上，
还需要反映的换热器管排结构特征包括：
1 ）不规则的管排形状，包括各管排的形状大小和相对位置；
2 ）管排的弯折情况，包括弯折管排的形状大小和弯折管排的数目。
将换热器划分为若干单排结构规则的换热块，通过引入各换热块的结构参数和位置参数，来描述换热器的不规则管排形状和管排弯折情况。
描述不规则管排形状包括以下 4 个步骤（如图 3 所示）：
将每个结构规则的单排换热管排视为一个换热块，从迎风面顺风向依次将换热块编为 #1 ， #2 ，…， #x 。
将长度和宽度均为最大的换热块视为主换热块，其他换热块视为子换热块。
描述不规则管排形状所需的换热块结构参数包括各换热块的长度（ Li ）、宽度（ Wi ）、高度（ Hi ）和每排换热管数（ Ni ） 4 个参数。
描述不规则管排形状所需的换热块位置参数包括子换热块与主换热块的竖直相对距离（Δ Hi ）和水平相对距离（Δ Li ）。
描述管排弯折情况包括以下 2 个步骤（如图 4 所示）：
将弯折的换热器管排划分为 2 个直列管排换热块和 1 个弯曲管排换热块，从左到右依次将换热块编为 #1 ， #2 ，…， #x 。
描述直列管排换热块的结构参数包括换热块的长度（ Li ）、宽度（ Wi ）、高度（ Hi ）和每排换热管数（ Ni ） 4 个参数；描述弯曲管排换热块的结构参数包括换热块的弯曲半径（ Ri ）、换热块的弯曲角度（α i ）、宽度（ Wi ）、高度（ Hi ）和每排换热管数（ Ni ） 5 个参数。
采用分布参数法建立翅片管式换热器模型，根据空气及制冷剂流动方向将整个换热器划分为一个三维网格，如图 5 所示。
2 ）只考虑换热管径向的换热，换热管内侧制冷剂与管壁进行一维对流换热，换热管外侧空气与换热管管壁及翅片进行二维强制对流换热，不考虑换热管管壁热阻；
3 ）管外空气为一维流动，认为空气是不可压缩流体，不考虑空气流动过程的压降；
在每个控制单元中包括制冷剂、空气和翅片管 3 个对象，分别建立 3 个对象的控制方程。制冷剂侧控制方程：
其中：制冷剂侧的换热系数α r 和压降 Δ pf 、Δ pacc ，以及空气侧的换热系数α a ，均采用已发表的文献中的计算式计算，如表 2 所示。
在换热器模型中，整个换热器被划分为大量的控制单元。为了简化传热与压降计算、提高仿真计算速度，采用交替迭代法对控制单元的传热计算和压降计算进行解耦，求解一般流程如图 6 所示。
其中，迎风第一排控制单元的空气侧的流量、流速和状态参数为给定值，后排控制单元的空气侧的流量、流速和状态参数由前排控制单元的出口空气侧流量、流速和状态参数加权得到。
为了实现复杂制冷剂分路下传热和压降的计算，本模型中分别采用广度优先遍历搜索和深度优先遍历搜索算法，生成了用于传热计算的传热计算路径及用于压降计算的压降计算路径。以下将重点介绍 2 种计算路径的生成方法。
为实现复杂制冷剂分路下的传热计算，使传热计算沿着各分路进行计算，采用图论中的广度优先搜索算法生成传热计算路径。广度优先搜索算法的基本原理是从根节点开始，沿着有向图的宽度遍历所有未被访问的邻接节点，直至遇到分叉节点或汇合节点，接着从分叉节点或汇合节点开始搜索，重复上述步骤直至遇到出口节点为止。由上述原理产生的计算路径以横向层为顺序，将每层节点遍历完之后再访问下一层，这与传热计算的需求相同。换热计算序列生成方法如图 7 所示。
为实现复杂制冷剂分路下的压降计算，使压降计算沿着各分路进行计算，采用图论中的深度优先搜索算法生成压降计算路径。深度优先搜索算法的基本原理是从根节点开始，沿着有向图的深度尽可能深的搜索有向图的分支，当所有邻接节点搜索完成时，回溯到根节点的第一个未被访问的分叉节点，重复上述步骤，整个进程反复进行直到所有节点都被访问为止。压降计算序列生成方法如图 8 所示。
为了验证上述仿真模型的精度，需要对不同管排结构的室外换热器的换热性能进行测试，并与模型预测值进行比较。为了确保仿真模型可以同时适用于管排结构规则和管排结构不规则的室外机换热器，所选的实验对象要尽可能覆盖所有的管排结构特点。
因此选取了不同管排数的不同管排结构的 4 款室外机换热器进行测试，其中，管排结构规则的室外机换热器 1 款；管排结构不规则的室外机换热器 3 款，分别为 1 款带有子管排的换热器、 1 款带有管排弯折结构的换热器及 1 款同时带有子管排和管排弯折结构的换热器，其结构形式与结构参数如表 3 所示。
本文采用标准空调整机性能焓差实验台来验证管排结构不规则的翅片管换热器的性能仿真效果。实验中室内机采用相同的室内机，室外机分别采用上述的不同管排结构的室外机换热器。本实验的测试工况包括 GB 21455 — 2019 《房间空气调节器能效限定值及能效等级》中规定的额定制热和额定制冷 2 个工况，具体环境温度参数如表 4 所示。
采用换热器换热量和制冷剂压降作为衡量仿真精度的性能指标，模型预测值与实验值的对比结果如表 5 、表 6 所示。
对于实验选取的 4 款换热器，在额定制冷工况下，换热器换热量和制冷剂压降的最大相对误差分别为 1.6% 和 4.0% ；
在额定制热工况下，换热器换热量和制冷剂压降的最大相对误差分别为 1.5% 和 2.7% 。
无论对于管排结构规则的换热器还是管排结构不规则的换热器，本文提出的仿真方法均与实验结果吻合良好，能够满足换热器设计与优化的需要。
本文通过分析不规则管排的结构特点，提出了不规则管排换热器的通用描述方法；建立了翅片管换热器的通用分布参数模型；应用制冷剂侧传热压降迭代算法，实现了管排结构不规则的翅片管换热器性能仿真；并对仿真模型进行了实验验证。
1 ）不规则管排换热器的通用描述方法，通过建立换热块的结构参数和位置参数，能够准确描述各类型的规则管排和不规则管排的换热器结构，具有良好的通用性。
2 ）采用基于上述描述方法的分布参数换热器模型和求解算法，能够快速地预测不同工况下不同管排结构室外机换热器的换热性能。
3 ）对于本文选取的 4 种管排结构的换热器，与实验测试结果相比，换热器仿真预测的换热量和制冷剂压降的最大相对误差分别为 1.6% 和 4.0% 。仿真结果与实验结果吻合良好，能够满足换热器设计与优化的需要。
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