內(nèi)置油冷器位置對散熱器性能的影響

孫佳明 武亞嬌 曹向斐

（泛亞汽車技術(shù)中心空調(diào)電子部）

內(nèi)置油冷器布置在散熱器水室內(nèi)，因此布置位置會直接影響到散熱器以及發(fā)動機冷卻系統(tǒng)的性能。對于油冷器結(jié)構(gòu)的研發(fā)，國內(nèi)外學(xué)者已經(jīng)進行了大量的研究。文獻[1]通過CFD以及標(biāo)準(zhǔn)偏差方法，研究了板式油冷器內(nèi)部各層的熱流性能；文獻[2]研究了板式油冷器內(nèi)部壓力分布；文獻[3]研究了油冷器水側(cè)流動特性，并提出了防止氣蝕發(fā)生的設(shè)計優(yōu)化方案。這些研究成果主要集中在油冷器油側(cè)的性能優(yōu)化及參數(shù)設(shè)計等，而對油冷器在水室中的布置對冷卻系統(tǒng)的影響卻鮮有論及。而在一些汽車主機廠中也有油冷器布置位置相關(guān)的經(jīng)驗值，但是缺乏定量研究的依據(jù)。文章討論了油冷器在散熱器水室中布置位置對水室壓降和油冷器換熱量的影響。

1 物理問題及描述

圖1示出散熱器水室物理模型。冷卻液通過水箱扁管進入水室，通過出水口流出水箱。同時，變速箱機油從油冷器上方進入油冷器，經(jīng)過冷卻液冷卻之后由水室下方流出。不同的油冷器布置位置會導(dǎo)致不一樣的換熱流動結(jié)果。

可以通過2種方式來改變水室和油冷器的相對位置：一是固定水箱設(shè)計，改變油冷器位置；二是固定油冷器位置，改變水室水口位置。由于第2種方式的網(wǎng)格變動量較小，對實際模型的模擬也能夠充分體現(xiàn)。因此，選擇第2種方式進行研究。

保持油冷器位置及水室總?cè)莘e不變，設(shè)計了6種不同的水室水口位置，將水口和油冷器重合的位置從50%（水口到油冷器投影面積為水口的50%）逐漸變動到100%（水口完全投影到油冷器上），如圖2所示。

2 數(shù)值模擬

2.1 數(shù)學(xué)模型

由于數(shù)值傳熱學(xué)（NHT）[4]的方法不受物理模型與試驗開發(fā)的影響，能夠低耗高效地得出具有實際應(yīng)用價值的結(jié)果。因此，文章主要通過計算流體力學(xué)軟件（Fluent軟件），對油冷器在水室內(nèi)不同的相對位置進行數(shù)值模擬，解算出不同位置下水室內(nèi)部的流場。從而確定了油冷器布置位置對水室內(nèi)部的壓降規(guī)律。

油冷器布置在水室中，周邊流道狹窄，冷卻液流動方式為復(fù)雜的湍流流動過程。因此，采用SIMPLE算法，湍流模型采用標(biāo)準(zhǔn)k-ε兩方程模型。描述文中抽象結(jié)構(gòu)的湍流換熱控制方程，包括連續(xù)性方程、動量方程（Navier Stokes方程）及能量方程[5]。

2.2 邊界條件

根據(jù)某車型油冷器的試驗值，確定了相應(yīng)的邊界條件。冷卻液進口定義為質(zhì)量流量進口條件，溫度為82℃，質(zhì)量流量為1.4 kg/s。冷卻液出口質(zhì)量由連續(xù)性方程已經(jīng)確定，因此僅設(shè)壓力出口條件。變速箱機油經(jīng)由變速箱流入外置油冷器，其入口按照試驗測定的值給出質(zhì)量流量進口條件，入口油溫為115.76℃，質(zhì)量流量為0.05 kg/s。與冷卻液入口類似，油冷器出口也設(shè)為壓力出口條件參與計算。

為了抓住油冷器布置位置對整個水路的影響這一重點，將其他邊界條件設(shè)為壁面條件，從而簡化計算。

3 計算結(jié)果及其分析

根據(jù)圖2的6種工況，其中，工況1為50%的水口投影面積投射到油冷器上；工況2為70%的水口投影面積投射到油冷器上；從工況3到工況5為水口全部投射到油冷器上；工況6為部分水口投影面積離開油冷器。文章以工況1，3，5為例，圖3示出3種工況下的水流速度場分布。

從圖3可以發(fā)現(xiàn)，工況1的速度明顯要高于其他2種結(jié)構(gòu)形式。當(dāng)水流進入水室之后，由于工況1的水室入口有50%的面積未被油冷器擋住，因此水流速度能夠充分發(fā)展。在計算穩(wěn)定時，油冷器背面也有相當(dāng)?shù)乃俣龋鲃酉鄬α鲿常鐖D3a所示。而其他2種工況下，水流迅速被油冷器阻擋，不可能充分發(fā)展，因此在計算穩(wěn)定之后，其速度分布也僅在正對油冷器的一側(cè)，如圖3b和圖3c所示。由于在一般情況下，壓降與進出口速度平方之差正相關(guān)，因此，當(dāng)油冷器未被擋住的工況下，其壓降值會較小。

圖4示出所計算6種不同位置下的冷卻液壓降變化。從計算結(jié)果明顯可見，一旦出現(xiàn)水口面積沒有完全投射到油冷器上（工況1，2，6），則對應(yīng)的冷卻液側(cè)壓降較小。從工況3～5可以看出，當(dāng)水口完全投影在油冷器上時，其壓降變化不是很大。從工況2～3有30%的壓降升幅，說明冷卻液側(cè)壓降的變化對投影面積的增大非常敏感。

從以上分析可以看到，當(dāng)水口面積逐步投影到油冷器上時，冷卻液流出散熱器的通道就越窄，故水側(cè)阻力就會大幅提升。因此，為了降低整個冷卻系統(tǒng)的冷卻液側(cè)阻力，散熱器水口投影到油冷器上的面積不宜超過水口面積的50%。當(dāng)無法保證50%的投影面積時，可以通過增大冷卻液水口到油冷器的間距來擴大冷卻液流道，從而降低冷卻液阻力。

4 結(jié)論

1）將油冷器作為壁面模型能夠撇除油冷器內(nèi)部結(jié)構(gòu)，有效簡化計算模型。從計算結(jié)果來看，使用該簡化方法來進行計算是完全可行的。

2）散熱器水室內(nèi)阻力與油冷器的布置位置緊密相關(guān)。水口在油冷器上的投影面積不斷增大時，其水側(cè)壓降也會增大。從結(jié)果來看，當(dāng)冷卻液水口投影到油冷器面積達到進水口面積的一半后，阻力會突然增加，因此，在零件布置階段，水口投影到油冷器的面積應(yīng)當(dāng)控制在50%以下，這樣能夠有效控制因為水口位置變動帶來的散熱器水阻上升。

3）如布置位置不可避免完全投影于油冷器上，冷卻液水口位置對壓降的影響就不明顯了。為了降低這類布置時的水阻，需要盡可能擴大流道空間。在零件布置允許的前提下，適量增大水口到油冷器的間距，可以抵償投影面積全部在油冷器上的壓降增量。

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