載重汽車散熱器散熱及阻力因子仿真模型設計

肖壽高

（陜西重型汽車有限公司，陜西 西安 710200）

載重汽車散熱器散熱及阻力因子仿真模型設計

肖壽高

（陜西重型汽車有限公司，陜西 西安 710200）

分析散熱器性能計算模型，采用VC++軟件編寫散熱器模型仿真程序；對散熱器的樣件試驗數據進行仿真計算；通過SPSS軟件對仿真結果進行數據回歸分析，得到散熱器的散熱因子和阻力因子的仿真模型；并對試驗值與仿真值進行分析對比，發現試驗值與仿真值吻合度較高，誤差較小；結果表明建立的仿真模型是可行的，可用于指導新款散熱器的研發及老產品的改進設計。

載重汽車；散熱器；仿真模型；散熱因子；阻力因子

由于排放法規的不斷升級，對柴油發動機的冷卻性能提出了更高要求。歐VI排放的主要技術路線有純EGR技術、EGR+SCR技術和SCR技術。其中EGR技術的引入必然加大冷卻系統的負擔，具體來說將導致水箱散熱器增加20%～40%的熱負荷。隨著熱負荷的增加，散熱器的質量和體積都會相應增加，這不僅影響散熱器在整車的布置，同時也增加整車的油耗。因此設計體積小、質量輕、散熱效率高的散熱器具有很大的實用意義，是車輛附件設計的一種趨勢。

車用散熱器按其結構形式主要分為管帶式和管片式，芯子均采用緊湊式［1］。緊湊式換熱面的結構比較復雜，其散熱特性與阻力特性一般采用風筒試驗測定。如果靠單純的試驗方法驗證散熱器換熱面的散熱特性與阻力特性，勢必會延長新產品開發周期，增加研發費用，影響設計效率；若僅采取理論預測確定換熱面散熱特性與阻力特性，雖會相對縮短設計周期，但其結果與實際相差很大，參考價值不大。

因此，為提高開發效率，并使散熱器模型與實際散熱器更接近，增強模型的可使用性，本文提出了一種以試驗數據為主，理論建模為輔的混合式建模方法，并將仿真結果與實際值進行對比，驗證模型的正確性。

1 散熱器散熱和阻力特性計算

1.1 芯子幾何尺寸的計算

1）水側（水管部分）的散熱面積

式中：Fw——水側散熱面積，m2；tw——散熱管寬度，m；th——散熱管高度，m；t1——散熱管的長度，m；N1——散熱管的2數目。

2）氣側（翅片部分）的散熱面積

式中：Fa——氣側散熱面積，m2；fh——散熱帶波高，m；fp——散熱帶波距，m；L——散熱帶長度，m；H——散熱帶寬度，m；N2——散熱帶數目。

1.2 定型尺寸

1）水側通道的當量直徑

式中：Dh——水側通道當量直徑，m；A——流體的流通截面積，m2；U——濕周邊長或熱周邊長，m。

2）氣側通道（翅片與一次散熱面組成）的當量直徑

式中：Dc——汽車通道的當量直徑，m。

3）百葉窗的定型尺寸LP——百葉窗的節距，單位為m。

1.3 對數平均溫差Δtm

假設冷卻液的進口溫度為tw1、出口溫度tw2，冷卻空氣的進口溫度為ta1、出口溫度為ta2，則有

式中：修正系數φ=0.95～0.98，在計算中可取0.98；溫度的單位均為℃。

1.4 翅片效率和翅片表面的總效率

翅片為主要的熱交換元件，其散熱面積約占總散熱面積的80%左右，具有二次散熱效應，也稱二次散熱面。雖然散熱扁管直接參與冷卻液與冷卻空氣的傳熱，也叫一次散熱面，而散熱扁管的散熱效率不如翅片的散熱效率。散熱器總的散熱量在數值上等于一次散熱面散熱量與二次散熱面散熱量之和。

翅片的效率ηf等效為二次散熱面平均溫差比上一次散熱面溫差。

式中：ηo——翅片表面的總效率；F1——一次散熱面面積，m2；F2——二次散熱面面積，m2。

翅片表面總效率可看作二次散熱面與一次散熱面處于同樣的表面溫差時，二次散熱量占總散熱量的比例。

1.5 散熱芯子散熱量模型

首先對芯子散熱模型做如下假定：冷卻空氣與冷卻液的流量設為定值；熱交換表面的散熱系數為定值；不計散熱損失；固體壁與流體內均不存在軸向導熱；冷卻空氣和冷卻液在換熱過程中均不發生相變。

在穩定情況下，散熱方程式為

式中：Q——散熱量，kW；K——總散熱系數，kW／m2·℃；S——總散熱面積，m2。

熱平衡方程為

式中：mc、mh——分別為冷、熱流體的質量流量，kg／s；cpc、cph——分別為冷、熱流體的定壓比熱容，kJ／kg·℃。

1.6 散熱系數K的計算

散熱系數K的計算，必須先確定冷側表面散熱系數hc和熱側表面散熱系數hh，目前主要采用試驗得出的經驗公式進行計算。

1）冷側（氣側）的表面散熱系數計算

式中：Ga——空氣質量流速，kg／s；Pr——普朗特數；j——無量綱的表面散熱因子。

由柯爾朋類比率所定義的散熱因子的表達式為

2）熱側（水側）的表面散熱系數計算

1.7 氣側摩擦因子f的計算

由試驗測出氣側壓降ΔP，由經驗式得氣側的表面摩擦系數為

式中：Ac——最小自由流通面積，m2；Fa——氣側散熱面積，m2；σ——最小自由流通面積與來流迎面面積之比；ρ——密度，kg／m3；下標1、2、m分別代表進口、出口及平均值。

2 建立熱散熱器散熱與阻力性質仿真模型

散熱器的散熱特性可用雷諾數Re與散熱因子j的函數關系表示，雷諾數Re與阻力因子f的函數關系可用于表達散熱器的阻力性質。散熱因子是無量綱的表面傳熱系數，其大小與散熱器內部結構以及流體運動形式有關，其數學關系式可通過試驗數據擬合得出；阻力因子可表征散熱器空氣側流動阻力特性，其大小與散熱器芯子結構和空氣運動狀態有關，其數學關系式可通過試驗數據擬合得出。

2.1 推導j因子和f因子

根據散熱器廠家提供的結構參數和試驗參數，對不同的散熱器進行仿真計算，得到相應的散熱因子j與阻力因子f。試驗數據處理流程如圖1所示。

利用VC++6.0編制［2］試驗數據處理程序，計算出1#、2#、3#散熱器的j因子和f因子，并將求解結果匯總至表1、表2、表3中。

表1 1#散熱器的j因子和f因子

表2 2#散熱器的j

2.2 散熱因子與阻力因子仿真模型的建立

通過對試驗數據的分析處理，將仿真計算得到的散熱與阻力性質的數據輸入SPSS軟件，選擇Quadratic、Power和Compound擬合方法進行對比分析，選擇其中最合適的擬合曲線，如圖2和圖3所示。

表3 3#散熱器的j因子和f因子

選擇Power擬合曲線作為此次散熱器散熱特性與阻力特性［4-5］的預測模型，其數學形式為

3 試驗結果與仿真值的對比分析

選取仿真值與試驗值的工況一致，通過擬合曲線模擬計算散熱特性與阻力特性［6］，并對試驗值與仿真值進行對比分析，結果如圖4～圖9所示。

由圖4～圖9知，所擬合的模型其仿真結果與試驗值十分接近，誤差很小，準確性較高，可用來改進設計各種類型的管帶式散熱器，并可對新型散熱器進行散熱因子與阻力因子預測，減少開發周期，模型的實用性很強。

4 案例分析

傳統的匹配方法采用類比法或估計法，無法精確得到散熱器的結構尺寸，只有通過多次試驗才能匹配出合適的散熱器，效率比較低。采用本文所編寫的計算程序，計算并預測得到散熱器的散熱功率，得到散熱器的結構尺寸，設計的時間及精確度大大得到提高。

以陜汽載重汽車F3000車型匹配ALLison自動變速器為例，ALLison自動變速器的油冷器采用水冷方式，變速器運行時，給冷卻系統帶來額外的散熱量約50～60 kW，由此導致冷卻系統散熱器重新匹配設計，以滿足整車使用需求。

通過自編軟件計算，得到了F3000車型匹配ALLison自動變速器冷卻系統散熱器芯高為1045mm、芯寬708mm、芯厚為40mm，該結構尺寸可以滿足整車使用要求。

通過對該程序的持續優化改進，可將計算程序應用于M3000車型平臺冷卻系統散熱器的開發工作。

［1］楊家騏.汽車散熱器［M］.北京：人民交通出版社，1985.

［2］魏朗，陳濤.Visual C++程序設計攻略教程［M］.陜西：西安電子科技大學出版社，2004.

［3］Webb L and Farrell A.Improved Thermal and Mechanical Design for Copper Brass Radiators［S］.SAE900724.

［4］吳利平，林貴平.車用管帶式散熱器的性能研究［J］.車用發動機，2005（2）：62-66.

［5］錢頌文.換熱器設計手冊［M］.北京：化學工業出版社，2002.

［6］張行周，等.汽車發動機散熱器特性仿真研究［J］.車用發動機，2005（8）：23-26.

（編輯楊景）

Simulation Model Design of Heat Radiation and Resistance Coefficient for Heavy Truck Radiator

XIAO Shou-gao
（Shaanxi Heavy Truck Co.，Ltd.，Xi’an 710200，China）

The author analyzes the calculation model of radiator performance，writes a module simulation program by VC++，simulates and calculates the radiator sample test data.The simulation models of radiation coefficient and resistance coefficient are achieved through the simulation data analysis by the SPSS software.The result shows that the established simulation models are practical to guide the development of new radiators and the improvement of older products.

heavy truck；radiator；simulation model；radiation coefficient；resistance coefficient

U464.138.2

A

1003－8639（2014）03－0021－03

2013-07-05；

2013-08-02

肖壽高（1986-），男，碩士，助理工程師，主要從事汽車發動機冷卻系統開發研究工作。