管帶式散熱器翅片振動傳熱仿真研究

程宏偉，楊學鋒，鄧建新，馮振山，李 磊，谷才寶

（1.山東大學機械工程學院，山東 濟南 250061；2.山東同創汽車散熱裝置股份有限公司，山東 泰安 271400；3.濟南大學機械工程學院，山東 濟南 250022）

管帶式散熱器因具有結構簡單、散熱效率高和制造成本低等特點被廣泛用于車輛冷卻系中，是水冷式冷卻系統的重要裝置［1］。散熱器中百葉窗翅片結構不僅增加了空氣與扁管的換熱時間，而且起到二次傳熱的作用，對散熱影響甚大，國內外許多學者對此有大量研究 ，其中仿真研究由于節約費用、操作便捷等優勢發展迅速。Oliet討論了翅片參數對傳熱的影響［2］；Atkinson和Perrotin的研究表明3D模型比2D 模型具有更高的精度［3－4］；DeJong指出當空氣沿百葉窗通道流動時，翅片換熱效果較好，流動與Re有關［5］；Zhang對百葉窗翅片熱尾跡進行分類，指出當上游百葉窗熱尾跡干擾到相鄰翅片下游百葉窗時傳熱較好［6］。然而現有的翅片百葉窗結構已經充分優化，很難通過改變參數大幅度提高散熱性能，因此必須尋求新的思路。振動強化傳熱技術一直備受關注，散熱器實際工作的振動環境為這項技術的應用提供了較大可能。因此，對散熱器進行振動傳熱研究，進而利用這項技術實現強化傳熱，對企業節能降耗和提高經濟效益意義深遠。

管帶式散熱器芯體是通過釬焊將扁管和散熱帶連在一起，并由上、下主片和護板定位形成；而散熱器通過側板或凸起與汽車懸架連接，為了減振，在連接處會放置彈性墊圈，當汽車正常行駛時，路面不平和發動機運轉會引起汽車振動，此時整個散熱器也會跟隨汽車作受迫振動，如果能改變散熱器與汽車的連接方式（彈簧或其他彈性裝置），使散熱器原有的振動增大，即可實現增強散熱的效果。散熱器的振動可以是空間3個方向上的，而其熱阻主要來源于氣側，且翅片在氣側傳熱起主要作用，因此，本研究僅討論垂直于翅片方向的振動對其傳熱性能的影響，此時扁管的振動方向與管內流體流向平行，振動對其兩側換熱影響不大，文中不作討論。百葉窗翅片是散熱器的重要結構，流動和傳熱特性復雜，對傳熱效率影響較大，通過仿真探討振動對其散熱性能的影響規律，可以為進一步研究散熱器強化傳熱提供重要依據。

1 計算模型

建立了翅片二維仿真模型，借助UDF功能實現壁面振動，計算區域及邊界條件見圖1。區域左側壁面為速度入口邊界，速度為u，來流溫度為300K；右側壁面為壓力出口邊界，p＝0；3個翅片為運動壁面，與流體進行對流換熱，采用第一類換熱邊界，溫度為358K，速度規律為

式中：A為振幅；f為頻率。

入口風速u決定計算區域流動特點，為了研究層流時的振動傳熱，并考慮計算機的運算能力和準確性，u值取為2，3.5，5，6.5，8，9.5m/s；汽車行駛時散熱器作隨機振動，其振動頻率難以確定，QC/T468—2010等有關標準規定，散熱器耐振動性能試驗中頻率為20Hz（乘用車）或23Hz（商用車），而汽車通常作低頻受迫振動［7］，由此選取仿真頻率f為1，5，10，20Hz；對于振幅的選擇，主要考慮散熱器的安裝空間限制，同時也兼顧仿真的計算量，最后選取A 的值為1，2，4，6mm。

由于仿真中使用了動網格技術，網格劃分單元選取為三角形，并對翅片附近及運動區域進行了較密的網格劃分，通過網格無關性檢查確定翅片附近網格大小，風速u為2～5m/s時，網格為0.1mm；風速u為6.5～9.5m/s時，網格為0.04mm。

計算采用層流模型，求解器選為非穩態隱式法，壓力速度耦合采用SIMPLEC算法，速度和能量方程離散采用QUICK格式。

2 結果及分析

2.1 流場和流動特點

由圖2可以看出，翅片無振動和振動速度v＝0.13m/s時氣流主要沿翅片間通道流動，而較少沿百葉窗流動。百葉窗附近邊界層較厚，阻塞了百葉窗通道，從而阻止氣流流動，不利于翅片的對流換熱。上述情況在第2組百葉窗上反映得更加明顯，這是由于空氣阻力減緩了翅片后半程通道的氣流流速。當振動速度v＝0.5m/s時，百葉窗邊界層減薄，通道流速增大，百葉窗分流作用逐漸體現，特別是第2組百葉窗，其流動狀態變化明顯，整個翅片區域流速增大，對散熱有非常積極的作用。

由圖3可以看出，相對于無振動，翅片振動時空氣沿百葉窗流動的比例增加，翅片及百葉窗附近邊界層變薄，但這種差異沒有圖2中的差異明顯，而且v＝0.5m/s與v＝0.13m/s（圖3b）時的流場差異也是如此，這說明當風速增大時，振動對流場的擾動會減弱。

對比圖2和圖3可以發現，振動能對空氣形成擾動，阻礙邊界層的生長，改變氣流方向，而擾動的劇烈程度與翅片振動速度和風速有關，即隨振動速度增大和風速減小而增大。

為了更加直觀地反映振動對百葉窗翅片結構中流動的影響，可用繪制流體粒子跡線的方法來形象描述。在翅片2上臨近第1個百葉窗的位置，取垂直方向半徑為0.1mm范圍內的25個點繪制跡線。圖4和圖5示出了風速為2m/s和9.5m/s時不同振動條件下的跡線。由圖可以看出，風速為2m/s時，振動條件下粒子沿翅片方向（x軸正向）的流動距離變短，在未完全穿過翅片區域時就撞擊到翅片或百葉窗上，即粒子的流動線路發生很大的變動，使流向百葉窗通道的粒子增加，而振動速度v＝0.5m/s時，這種改變更加明顯，粒子在第1組百葉窗之前就全部改變了流向，從而造成了跡線的中斷。當風速為9.5m/s時，振動雖然也能改變粒子流向，但作用減弱，粒子沿翅片方向的流動距離變長，但v＝0.5m/s時依然可以發現大部分粒子會提前撞上翅片，只有少數粒子穿出；相對于u＝2m/s而言，u＝9.5m/s時有較多的粒子穿過第2組百葉窗，并發生偏轉。

通過粒子的跡線規律可以發現，振動確實能改變翅片通道中粒子的運動軌跡，使粒子更多地撞擊到百葉窗上或沿百葉窗通道流動，從而減薄了邊界層，且跡線隨振動速度和入口風速的變化規律與圖2和圖3中流場的變化規律一致。

2.2 溫度場

圖6示出了風速為2m/s時不同振動參數下的溫度場分布。由圖可以看出，當無振動和振動速度較小時，第1組百葉窗中溫度分布增長較快，迅速接近翅片溫度，而第2組百葉窗的空氣平均溫度很高，導致翅片達到熱飽和而使傳熱性能惡化，此時翅片更多地扮演了增大流動阻力的角色。當振動速度較高時，翅片后半程氣流平均溫度明顯降低，傳熱性能得到一定改善。Zhang提出用熱尾跡特點來評判傳熱的優劣［6］，熱尾跡分為兩種：一種為翅片內干擾型，指上游百葉窗熱尾跡對同一翅片上的下游百葉窗形成干擾，這種特點的熱尾跡傳熱效果較差；另一種為翅片間干擾型熱尾跡，指上游百葉窗熱尾跡對相鄰翅片的下游百葉窗形成干擾，這時傳熱較好。對比圖6中翅片2的第1組百葉窗熱尾跡可以看出，無振動時熱尾跡為翅片內干擾型，振動速度大時熱尾跡為翅片間干擾型。

圖7示出了風速為9.5m/s時的溫度場。與圖6相比，圖7所示翅片區域平均溫度大幅降低，百葉窗散熱效果顯著提升，振動與無振動相比溫度場變化不明顯。觀察熱尾跡可以發現，第1組百葉窗為典型的翅片間干擾型，第2組百葉窗雖然為翅片內干擾型，但當上游熱尾跡到達下游百葉窗時已變淡變弱，對散熱影響相對較小。

由上述分析可以發現，低風速下，振動能降低空氣平均溫度，幫助形成利于散熱的熱尾跡類型，有效改善傳熱條件，振動速度大時效果明顯；高風速時，百葉窗的傳熱環境顯著改善，此時振動強化傳熱效果不明顯，需要更大的振動速度才能奏效。

2.3 傳熱性能

Fluent可直接輸出壁面熱流密度［7－8］，對于恒溫壁面，其熱流密度按式（2）計算：

式中：λ為流體介質熱導率；n為所求表面處法向量；▽T為所求表面處溫度梯度。

當不考慮翅片結構參數對傳熱的影響時，用熱流密度描述換熱性能更加直觀、方便。仿真得到了不同振動參數下1/4振動周期內翅片2的平均熱流密度，根據仿真結果得出：u＝2m/s，振動速度v＝0.13m/s情況下，q相對無振動時增加12.81%，v＝0.5m/s時q增加51.50%；u＝9.5m/s時，v＝0.13m/s與0.5m/s下，q分別增加2.83%和14.74%，說明振動對傳熱的增強隨風速的增大而降低，這與流場及溫度場的分析結果一致。

圖8與圖9示出了振幅和頻率對熱流密度的影響。由圖可以看出，q隨振幅、頻率和風速的增大而增大，而當風速增大時，振動強化傳熱的效果先增強后減弱，當u＝5m/s時強化傳熱效果最好，此時，f＝20Hz時q提高34.50%，A＝6mm時q提高16.72%；在高風速及較小振幅與頻率下，會出現熱流密度降低的情況。熱流密度變化的原因是隨著風速與振動的加強，翅片邊界層變薄，流過百葉窗的氣流增多，空氣平均溫度降低，這都有利于改善散熱條件，增強對流換熱，故q增大。此外，由于振動速度相對于風速而言較小，振動對流場分布僅起到干擾作用，而非決定作用，此時有兩種矛盾因素共同影響熱流密度變化，即隨著風速的增加，一方面振動對流場的干擾減弱，強化傳熱減弱；另一方面熱流密度值對流場的變化更加敏感，小的擾動就能引起q較大的變化，雖然較高風速下流場的擾動減弱，但q的起伏會變大。由圖可以看出，u＜5m/s時，第二方面因素占主導，u＞5m/s時，第一方面因素占主導，故強化傳熱效果呈先增后減趨勢，最終作用消失，甚至出現不利于換熱的情況。需要強調的是上述強化傳熱效果的評判主要以q的絕對增量為衡量標準，故其變化規律可能與q百分比增量不太一致。通過計算可以發現，當A＝4mm，f＝20Hz，u＝2m/s時q提升比例最大，達到51.50%。

圖10示出了振動速度對熱流密度的影響。由圖可以看出，q實際上隨振動速度的增大而增大，提高振幅和頻率都可以增大振動速度，從而提升換熱性能，但兩者的影響效果有差異，當v＝0.13m/s時，A＝2mm，f＝10Hz的q值高于A＝4mm，f＝5Hz時的值，例如，u＝5m/s時，前者q提高16.35%，后者為 14.49%；另外，由圖 8 可知，當A＞4mm時，繼續增大振幅熱流密度變化不明顯；而由圖9知，不斷提高頻率，q可顯著提高；由此說明，對于振動強化傳熱，頻率的作用大于振幅。

3 結論

a）振動可以對流場和溫度場形成擾動，改變粒子的運動軌跡，迫使氣體沿百葉窗通道流動，使邊界層變薄，并且有利于百葉窗形成翅片間干擾型熱尾跡或較淡的翅片內干擾型熱尾跡，降低翅片通道平均溫度，達到改善換熱的效果；

b）振動可提高翅片表面平均熱流密度，q隨振動強度和入口風速的增大而增大，其中振幅的影響弱于頻率，增大振幅q最大可提高22.92%，而增大頻率q最高可提升51.50%；

c）振動對流場和溫度場的擾動隨入口風速的增大而減弱，而振動強化效果隨風速增加呈先增后減趨勢，u＝5m/s時效果最好，此時，f＝20Hz時，q提高34.50%；A＝6mm 時，q增大16.72%；在入口風速不足以形成湍流之前，增大振動速度始終可以獲得較明顯的強化傳熱效果。

［1］ 沈 鍵，楊學鋒.汽車散熱器企業的發展現狀及散熱器發展前景［J］.科技創新導報，2010，12（9）：12.

［2］ Oliet C，Oliva A，Castro J，et al.Parametric studies on automotive radiators［J］.Applied Thermal Engineering，2007，27（11/12）：2033－2043.

［3］ Perrotin T，Clodic D.Thermal－hydraulic CFD study in louvered fin－and－flat－tube heat exchangers［J］.International Journal of Refrigeration，2004，27（4）：422－432.

［4］ Atkinson K N，Drakulic R D，Heikal M R，et al.Twoand three－dimensional numerical models of flow and heat transfer over louvred fin arrays in compact heat exchangers［J］.International Journal of Heat and Mass Transfer，1998，41（24）：4063－4080.

［5］ DeJong N C，Jacobi A M.Flow，heat transfer，and pressure drop in the near－wall region of louvered－fin arrays［J］.Experimental Thermal and Fluid Science，2003，27（3）：237－250.

［6］ Zhang X，Tafti D K.Classification and effects of thermal wakes on heat transfer in multilouvered fins［J］.In－ternational Journal of Heat and Mass Transfer，2001，44（13）：2461－2473.

［7］ 陳冬嬌.汽車振動對汽油箱內汽油揮發的影響研究［D］.武漢：華中農業大學，2004.

［8］ 韓占忠，王 敬，蘭小平.FLUENT流體工程仿真計算實例與應用［M］.北京：北京理工大學出版社，2008.