基于Fluent的汽車(chē)散熱器熱耦合仿真

張書(shū)義，劉松，曹汝恒，曹建明

（長(zhǎng)安大學(xué)汽車(chē)學(xué)院，陜西 西安 710064）

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基于Fluent的汽車(chē)散熱器熱耦合仿真

張書(shū)義，劉松，曹汝恒，曹建明

（長(zhǎng)安大學(xué)汽車(chē)學(xué)院，陜西 西安 710064）

汽車(chē)散熱器是發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻液與空氣進(jìn)行熱交換的換熱設(shè)備， 它的好壞直接影響到發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性，是發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻系統(tǒng)中非常重要的一部分。隨著仿真軟件被廣泛的用到散熱器設(shè)計(jì)中，使散熱器的優(yōu)化設(shè)計(jì)更加的輕便。文章主要利用Fluent軟件，采用Simple算法和標(biāo)準(zhǔn)k-e湍流模型，模擬計(jì)算了水在散熱器內(nèi)部的流動(dòng)傳熱過(guò)程，通過(guò)分析溫度場(chǎng)和壓力場(chǎng)等的變化，獲得散熱器的工作情況，為散熱器優(yōu)化設(shè)計(jì)提供參考。

散熱器；建模；Fluent；仿真

10.16638/j.cnki.1671-7988.2016.06.031

CLC NO.: U464.138+.2 Document Code: A Article ID: 1671-7988 (2016)06-88-03

前言

散熱器是內(nèi)燃機(jī)冷卻系統(tǒng)中最重要的部件之一，它對(duì)內(nèi)燃機(jī)的動(dòng)力性，經(jīng)濟(jì)性以及可靠性有重大影響，所以研究如何提高散熱器的換熱性能和降低設(shè)計(jì)成本具有重要的意義。本文主要通過(guò)建模和仿真軟件對(duì)某一款汽車(chē)品牌的散熱器進(jìn)行了壓力場(chǎng)和溫度場(chǎng)的模擬，以便發(fā)現(xiàn)可以改進(jìn)的地方。

1、計(jì)算流體力學(xué)的基本模型控制原理

1.1三大流體基本能量方程

CFD 基本模型三大控制方程分別是連續(xù)性方程、動(dòng)量守恒方程和能量守恒方程，散熱器內(nèi)部水的流動(dòng)基本上是以三大方程為主的方程組控制。

（1）連續(xù)性方程：

（2）動(dòng)量方程：

（3）能量守恒方程：

2、散熱器的建模與模擬計(jì)算

2.1建模

對(duì)于散熱器的UG建模，要考慮實(shí)際尺寸、形狀，忽略散熱器的外部塑料包裝對(duì)模型的影響，以致簡(jiǎn)化其模型，使其更接近實(shí)際汽車(chē)散熱器。實(shí)際汽車(chē)散熱器經(jīng)過(guò)UG建模圖形，如圖1所示：

圖1　散熱器模型

2.2散熱器Gambit網(wǎng)格劃分

將UG模型導(dǎo)進(jìn)Gambit,然后調(diào)整適當(dāng)位置，選中整個(gè)實(shí)體進(jìn)行網(wǎng)格劃分，網(wǎng)格選擇不規(guī)則的，大小為0.5。對(duì)網(wǎng)格質(zhì)量進(jìn)行檢查，其中劃分的網(wǎng)格有431359個(gè)，最差的的網(wǎng)格面積是0.847591，在可接受的范圍。設(shè)置汽車(chē)散熱器模型的邊界，選擇三維模型的兩外端面，一個(gè)為進(jìn)水口，另一個(gè)為出水口。進(jìn)水口的邊界被設(shè)置為進(jìn)水速度，出水口的邊界被設(shè)置為出水流量。汽車(chē)散熱器三維模型的網(wǎng)格圖形，如圖2所示：

圖2　網(wǎng)格

2.3基于Fluent的邊界條件設(shè)置與計(jì)算

將汽車(chē)散熱器三維模型 mesh 文件導(dǎo)入 Fluent，將所有的單位改成mm，分離解算器選擇Fluent默認(rèn)的解算器，仿真模型采用標(biāo)準(zhǔn)K-E湍流模型，選擇的材料為液態(tài)水，并將水的物理參數(shù)設(shè)置好。設(shè)置邊界條件，并計(jì)算出邊界參數(shù)，步驟如下：

①fluid面、wall、出水口邊界的設(shè)置

Fluid設(shè)置，將Material name 改成water-liquid；出水口的邊界設(shè)置為默認(rèn)模式；wall的設(shè)置，設(shè)置鋁制散熱器的換熱系數(shù)為204w(m2·k) ，wall的厚度為0.002m。

②進(jìn)水口邊界設(shè)置

進(jìn)口水管：進(jìn)口水流速度 2m/s，溫度363K。實(shí)驗(yàn)測(cè)定壓力為100000Pa。

確定湍流參數(shù)的方法如下：

如果已知湍流長(zhǎng)度尺度l，則湍動(dòng)耗散率ε按下式計(jì)算：

最后設(shè)置散熱器進(jìn)水口邊界的初始數(shù)據(jù)，選擇Simple算法，壓力標(biāo)準(zhǔn)離散化，動(dòng)量、湍動(dòng)能、湍流消耗系數(shù)二階逆風(fēng)面離散化。初始化流場(chǎng)，設(shè)置迭代步數(shù)1000。通過(guò)桌面運(yùn)行圖形窗口查看殘差圖的收斂過(guò)程，從殘差圖可以了解迭代解是否已經(jīng)收斂到允許的誤差范圍了，如圖3所示。

圖3　殘差圖

3、散熱器的內(nèi)流場(chǎng)分析結(jié)果

散熱器的仿真結(jié)果是以流場(chǎng)的形式呈現(xiàn)的，本文研究的是散熱器的內(nèi)流場(chǎng)，內(nèi)流場(chǎng)的變化分為冷卻液管內(nèi)流溫度場(chǎng)、冷卻液管內(nèi)流壓力場(chǎng)，從這兩方面將散熱器的內(nèi)部流場(chǎng)變化形象的描繪出來(lái)。這種計(jì)算出來(lái)的流場(chǎng)變化更接近實(shí)際的工作狀態(tài)，對(duì)于研究汽車(chē)散熱器的散熱特性有很大的幫助。

3.1冷卻液管內(nèi)流溫度場(chǎng)，如圖4

圖4　溫度云圖

圖上顯示了散熱器冷卻液管內(nèi)部溫度的流場(chǎng)分布。自上而下，管內(nèi)冷卻液的溫逐步降低，

這是空氣換熱作用的結(jié)果，帶走了熱量。上下兩個(gè)水箱內(nèi)的冷卻液溫度高于冷卻液管內(nèi)的溫度，一是因?yàn)樵蜕崞魃舷滤涫怯晒こ趟芰习饋?lái)的，固定在發(fā)動(dòng)機(jī)前部，起固定作用，外部空氣不能直接與它強(qiáng)制對(duì)流換熱。故而在幾何建模計(jì)算時(shí)省略它的塑料外殼。二是散熱器的冷卻水管是散熱器的主要工作區(qū)域，冷卻空氣與冷卻水管強(qiáng)制對(duì)流換熱后冷卻水管內(nèi)的溫度降低。與實(shí)際散熱器溫度場(chǎng)、壓力場(chǎng)近似，其產(chǎn)生的誤差，主要是在管與水箱交接處湍流損失較大的拐角處，還有散熱器水箱外殼部分的流動(dòng)損失。

3.2冷卻水管內(nèi)流壓力場(chǎng)，如圖5所示

圖上顯示散熱器冷卻水管內(nèi)流壓力場(chǎng)。從上到下，水箱內(nèi)的壓力逐漸減少，因?yàn)檫M(jìn)水口面積較小，進(jìn)水速度較大，所以進(jìn)口處的壓力較大。隨著水箱內(nèi)進(jìn)水量的增加，在水箱內(nèi)易形成湍流，流向冷卻水管時(shí)，造成水箱內(nèi)局部的壓力增加。進(jìn)入冷卻水管后，水溫下降，流速變緩，導(dǎo)致管內(nèi)水的壓力也逐漸下降。但會(huì)產(chǎn)生一些誤差，這是因?yàn)檫M(jìn)水不可能一下就充滿(mǎn)整個(gè)散熱器，會(huì)產(chǎn)生氣液混合相。

圖5　壓力云圖

[1] 莫春蘭.車(chē)用發(fā)動(dòng)機(jī)管帶式散熱器性能的研究[學(xué)位論文],2001.

[2] 康顯麗.UG NX5機(jī)械設(shè)計(jì)案例教程:中文版.北京：清華大學(xué)出版社，2008.

[3] 于勇.FLUENT入門(mén)與進(jìn)階教程.北京:北京理工大學(xué)出版社,2008.

[4] 王福軍.計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)分析[M].北京:清華大學(xué)出版社.

Thermal coupling simulation of automobile radiator based on Fluent

Zhang Shuyi, Liu Song, Cao Ruheng, Cao Jianming
（Chang'an University Automotive Institute, Shaanxi Xi'an 710064）

Car radiator is an exchanging heat equipment that can exchange coolant liquid with air, and it' s goodness or badness will directly affect the engine performance and fuel economy, is a very important part of engine cooling system. This paper established use Fluent software, the Simple algorithm and standard k-e turbulence model, simulation calculation of the flow of water within the radiator heat transfer process, through the analysis of the change of the temperature field and stress field, etc, for the performance of the radiator, to provide the reference for the radiator optimization design.

Radiator; Model; Fluent; Simulation

張書(shū)義，就讀于長(zhǎng)安大學(xué)汽車(chē)學(xué)院。

U464.138+.2

A

1671-7988 （2016）06-88-03