基于應(yīng)力分析的新型汽車散熱器設(shè)計(jì)＊

王東星，方立德，李婷婷，梁玉嬌，李丹

（河北大學(xué)質(zhì)量技術(shù)監(jiān)督學(xué)院，河北 保定 071002）

前言

汽車散熱器是汽車水冷發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻系統(tǒng)中的重要組成部分，它的作用是保證發(fā)動(dòng)機(jī)不發(fā)生過熱現(xiàn)象，使得發(fā)動(dòng)機(jī)在最適宜的溫度下工作[1～5]。Bo Wang[6]等認(rèn)為良好的散熱是保證汽車長(zhǎng)期穩(wěn)定工作的關(guān)鍵因素。發(fā)動(dòng)機(jī)在正常工作時(shí)常常處于振動(dòng)狀態(tài)中，使散熱器扁管承受較大的振動(dòng)應(yīng)力，另外流體流速不均會(huì)產(chǎn)生應(yīng)力分布不均，導(dǎo)致應(yīng)力集中，從而發(fā)生扁管爆裂等現(xiàn)象。王琴[7]等發(fā)現(xiàn)在散熱器正常工作時(shí)，水冷部件變形明顯，且分布不均。平衡扁管所受應(yīng)力，均化流體速度是一種較好的解決方案。但散熱器內(nèi)部各項(xiàng)相互影響，通過實(shí)驗(yàn)難以確定方法的優(yōu)劣，因此采用數(shù)值模擬的方法。賀榮[8]等證明了數(shù)值模擬方法能真實(shí)反映水冷散熱器內(nèi)部的復(fù)雜流動(dòng)，為散熱器的設(shè)計(jì)和改進(jìn)提供理論依據(jù)。潘偉東[9]等利用Fluent軟件成功模擬了兩種尺寸和五種流速的情況。王任遠(yuǎn)[10]等利用Fluent軟件完成了對(duì)散熱器空氣側(cè)百葉窗翅片結(jié)構(gòu)的參數(shù)優(yōu)化。徐鵬程[11]等通過仿真與實(shí)驗(yàn)結(jié)合的方式研究了翅片厚度和翅片間距對(duì)翅片式散熱器散熱性能的影響，并取得了相應(yīng)的成果。員冬玲[12]等研究了不同風(fēng)速和水流量時(shí)散熱器的散熱性能以及阻力特性，結(jié)果表明，同等工況下的振蕩流熱管汽車散熱器的散熱性能要好于管帶式銅質(zhì)汽車散熱器。施玉潔[13]等通過風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)得到正常工作過程中散熱器基板的工作溫度在 70 ～90 ℃之間；基板溫度升高，換熱量也隨之增大；散熱器換熱量受進(jìn)口空氣溫度的影響大于受迎面風(fēng)速的影響。

1 汽車散熱器應(yīng)力分析

散熱器汽車在運(yùn)行過程中，會(huì)產(chǎn)生大量的熱能，汽車散熱器是汽車水冷發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻系統(tǒng)中不可缺少的重要部件。通過散熱器扁管內(nèi)部的冷卻液在內(nèi)部循環(huán)以及外部風(fēng)扇運(yùn)轉(zhuǎn)形成的強(qiáng)制對(duì)流換熱，帶走大量的熱能，才可以保證發(fā)動(dòng)機(jī)在常見工況下都能夠進(jìn)行正常工作，防止發(fā)動(dòng)機(jī)過冷或過熱。

圖1 傳統(tǒng)汽車散熱器系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

傳統(tǒng)的散熱器由防凍液入口、出口、上下水室、扁管、散熱帶等部分構(gòu)成，如圖1所示。

圖2 平面結(jié)構(gòu)（400X）

圖3 平面結(jié)構(gòu)（200X）

圖4 水平方向彎曲結(jié)構(gòu)（400X）

圖5 水平方向彎曲結(jié)構(gòu)（200X）

圖6 垂直方向彎曲結(jié)構(gòu)（400X）

圖7 垂直方向彎曲結(jié)構(gòu)（200X）

扁管位于上下水室中間，散熱帶位于各扁管之間。從發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)流過來的高溫防凍液從入口流入上水室，再流經(jīng)散熱扁管，扁管外的散熱帶起到增加散熱面積強(qiáng)化傳熱的作用，從扁管流出的流體進(jìn)入下水室，再經(jīng)出口流出散熱器，返回發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)。在實(shí)際使用過程中，汽車散熱器扁管爆裂的現(xiàn)象時(shí)有發(fā)生，爆管現(xiàn)象的產(chǎn)生與扁管上的裂紋等有關(guān)，嚴(yán)重影響了散熱器的使用壽命。就此問題進(jìn)行分析：利用掃描電子顯微鏡（Search Engine Marketing ，SEM）觀察裂紋周圍情況，如圖2至圖7。

在同等放大倍數(shù)下，平面組織比彎曲處組織均勻，致密一些，彎曲處金相圖中多處出現(xiàn)空洞或微細(xì)裂紋，組織被拉長(zhǎng)。經(jīng)過 SEM 圖發(fā)現(xiàn)在鋁合金板彎的地方有孔洞或微細(xì)裂紋的存在，空洞或裂紋來源于局部應(yīng)力集中。結(jié)合汽車散熱器的結(jié)構(gòu)，分析應(yīng)力集中的原因。其一是截面的急劇變化，防凍液從入水口進(jìn)入上水室，及從下水室經(jīng)過出水口流出的過程中，截面發(fā)生巨大變化，致使入水口部位應(yīng)力集中；其二是受集中力作用，防凍液從水室分配到各個(gè)扁管的液體分布不均，速度不一，使得在靠近入水口的扁管內(nèi)存在大量且高流速的液體，致使這些扁管受到集中力的作用。

圖8 截面巨變應(yīng)力作用示意圖

入水口附近A點(diǎn)的應(yīng)力為：

圖9 受集中力作用示意圖

扁管上受集中力作用時(shí)，受力點(diǎn)A附近的應(yīng)力為：

受力點(diǎn)附近的應(yīng)力與1/r成比例，即當(dāng)r→0時(shí)，、、τxy→。

通過上式可知，入水口、出水口處所受應(yīng)力是其他部位的3倍，同時(shí)靠近入水口處的扁管由于受集中力作用所受應(yīng)力更為巨大。降低應(yīng)力集中的方法有：修改應(yīng)力集中因素的形狀、適當(dāng)選擇應(yīng)力集中因素的位置、適當(dāng)選擇應(yīng)力中集因素的方向、增加應(yīng)力集中因素、表面削去法、填充法。結(jié)合散熱器的結(jié)構(gòu)，利用增加應(yīng)力集中因素進(jìn)行應(yīng)力的降低。

2 新型散熱器設(shè)計(jì)

為了降低扁管所受應(yīng)力，增加應(yīng)力集中因素，應(yīng)該均衡各扁管內(nèi)液體量，均化流體速度，因此在原有散熱器的上水室底部和下水室的頂部各增加一個(gè)整流罩。散熱器上水室的整流罩安裝在冷卻液入口與散熱器扁管連接芯體之間；散熱器下水室的整流罩安裝在冷卻液出口與散熱器扁管連接芯體之間，實(shí)現(xiàn)冷卻液在扁管的均勻流動(dòng)，從而保證散熱器的散熱性能，提高強(qiáng)度及使用壽命。上下水室與整流罩的結(jié)構(gòu)，如圖10所示。

圖10 整流型散熱器結(jié)構(gòu)示意圖

圖11 散熱器整流罩結(jié)構(gòu)示意圖

整流型汽車散熱器的關(guān)鍵部分為整流罩的設(shè)計(jì)，上整流罩上的整流孔為大小按照距入水口的距離進(jìn)行分配的圓孔，沿上整流罩平面寬度方向?yàn)榈确衷O(shè)置的六排圓孔，與入水口位置對(duì)應(yīng)處的圓孔直徑最小，依次向兩側(cè)逐漸增大，最小圓孔直徑為上整流罩寬度的 1/18，最大圓孔直徑為最小圓孔直徑的兩倍，最小圓孔與最外側(cè)圓孔之間的圓孔直徑按等差數(shù)列遞增，所述的下整流罩上的整流孔為大小按照距出水口的距離進(jìn)行分配的圓孔，沿上整流罩平面寬度方向?yàn)榈确衷O(shè)置的六排圓孔，與出水口位置對(duì)應(yīng)處的圓孔直徑最小，依次向兩側(cè)逐漸增大，最小圓孔直徑為上整流罩寬度的1/18，最大圓孔直徑為最小圓孔直徑的兩倍，最小圓孔與最外側(cè)圓孔之間的圓孔直徑按等差數(shù)列遞增。整流罩的結(jié)構(gòu)，如圖11所示。

3 Fluent數(shù)值模擬及優(yōu)化分析

3.1 計(jì)算域的確定和參數(shù)設(shè)定

本問題中的計(jì)算域?yàn)槠嚿崞鲀?nèi)流體的流動(dòng)區(qū)域，模型采用標(biāo)準(zhǔn)k- ε湍流模型。

3.2 數(shù)值模擬仿真

首先在前處理器Gambit中畫出汽車散熱器的模型，由于散熱器模型中，上、下水室與扁管之間尺寸相差過大，因此需要利用split將水室與扁管分割。同理，在網(wǎng)格劃分時(shí)需要將Hex與Tex/Hybrid兩種劃分方式相結(jié)合：即散熱管中間部分，選用體網(wǎng)格中的Hex選項(xiàng)中的Max進(jìn)行網(wǎng)格劃分；對(duì)于上水室以及下水室，選用體網(wǎng)格中的 Tex/Hybrid選項(xiàng)中的TGrid進(jìn)行網(wǎng)格劃分。通過網(wǎng)格質(zhì)量檢查發(fā)現(xiàn)網(wǎng)格質(zhì)量良好，符合要求。將散熱器進(jìn)水口面設(shè)為 inlet，選擇 VELOCITYINLET，出水口面設(shè)為 outlet，選擇 OUTFLOW，為了后續(xù)容易設(shè)置材料其他面統(tǒng)一設(shè)為WALL。保存后導(dǎo)入到FLUE NT 3D中，讀入網(wǎng)格文件，檢查網(wǎng)格，平滑網(wǎng)格，確定模型單位長(zhǎng)度為 cm，啟動(dòng)能量方程，選中 Energy，選擇湍流模型k-epsilon，設(shè)置內(nèi)部材料為water-liquid [h20<1>]，設(shè)置入口邊界，入口速度為1.5m/s，初始化，打開殘差窗口選中Plot，殘差填入 10-5，開始迭代。利用不同顏色表示大小顯示速度場(chǎng)，觀察速度變化。利用Display-Vectors顯示速度矢量場(chǎng)，并進(jìn)行觀察。

3.3 仿真結(jié)果分析

結(jié)合流體動(dòng)力學(xué)仿真與實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果分析可知，在沒有安裝水室整流裝置的散熱器內(nèi)，防凍液在上下水室及扁管內(nèi)的流速分布如圖 12中所示，可見其速度分布非常不均勻，在臨近防凍液入口及防凍液出口處的幾根散熱扁管內(nèi)流速較高，其他部位的扁管內(nèi)流速較低。

圖12 傳統(tǒng)散熱器內(nèi)部流速分布示意圖

圖 13所示為加裝水室整流裝置后汽車散熱器內(nèi)流速分布示意圖，可見在臨近防凍液入口及防凍液出口處的幾根散熱扁管內(nèi)的較高流速得到了有效均化，散熱扁管內(nèi)的流速分布更加均勻，臨近防凍液入口及出口位置扁管內(nèi)的流速與其他扁管內(nèi)的流速已無明顯差別。

圖13 新型散熱器內(nèi)部流速分布示意圖

圖14為新型散熱器與傳統(tǒng)散熱器扁管內(nèi)流速對(duì)比圖（從進(jìn)水口側(cè)依次向出水口側(cè)進(jìn)行編號(hào)），從圖中的流速對(duì)比，顯然可得，在汽車散熱器中添加整流罩后使扁管中的流速變得非常均勻。

（3）施工材料堆放。因路橋工程工期較短，且施工時(shí)往往完全封鎖，所以要在封鎖時(shí)間內(nèi)及時(shí)提供各種施工材料。基于此，根據(jù)施工現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，結(jié)合進(jìn)度安排，對(duì)材料的進(jìn)場(chǎng)進(jìn)行合理安排，并予以進(jìn)場(chǎng)驗(yàn)收，根據(jù)要求向建設(shè)單位和監(jiān)理單位送檢，開展抽樣檢測(cè)，未經(jīng)檢測(cè)和檢測(cè)結(jié)果不合格的材料一律不得進(jìn)場(chǎng)。檢測(cè)合格的材料方可進(jìn)場(chǎng)，按平面布置圖的指示對(duì)其進(jìn)行分類堆放，做好相應(yīng)的標(biāo)記，以便施工時(shí)順利取用。

結(jié)合圖15、16的速度矢量圖，可以得出在未加整流罩的散熱器上水室內(nèi)存在大小不同的多處漩渦，從而影響到整個(gè)上水室內(nèi)流動(dòng)，經(jīng)過整流罩的調(diào)整，使上水室內(nèi)流過整流罩后的防凍液流動(dòng)變化較緩慢，旋渦消失了，流速較穩(wěn)定。

圖16 新型散熱器上水室內(nèi)流動(dòng)矢量圖

從圖17、18中可以更直觀的看出整流罩在均化流體速度方面的優(yōu)勢(shì)。

圖17 新型與傳統(tǒng)散熱器上水室內(nèi)流速對(duì)比圖

圖18 新型與傳統(tǒng)散熱器下水室內(nèi)流速對(duì)比圖

通過上述仿真圖可得未加整流罩時(shí)上、下水室內(nèi)漩渦明顯，而且漩渦直接影響到扁管內(nèi)的流速，導(dǎo)致扁管內(nèi)流速及壓力不均勻；加了整流罩后，上下水室內(nèi)流速得到有效均化，漩渦明顯減小，扁管中的流速分布非常均勻，各扁管內(nèi)的流速?zèng)]有明顯變化。

4 測(cè)試驗(yàn)證

將設(shè)計(jì)的整流型汽車散熱器實(shí)體在保定匯智達(dá)散熱器公司進(jìn)行測(cè)試。測(cè)試時(shí)，先將散熱器按照實(shí)際裝車情況，安裝在Y50250/ZF型250kg機(jī)械振動(dòng)測(cè)試臺(tái)上。散熱器內(nèi)注滿常溫水后密封，振動(dòng)頻率設(shè)置為23HZ，加速度為30m/s2，然后按產(chǎn)品要求進(jìn)行正弦波垂直、前后，左右振動(dòng)，每個(gè)方向進(jìn)行1.5×106次，試驗(yàn)后，進(jìn)行密封性能測(cè)試，測(cè)試結(jié)果符合 QC/T468-2010標(biāo)準(zhǔn)。再將散熱器按照實(shí)際裝車情況，安裝在壓力循環(huán)試驗(yàn)臺(tái)上。散熱器內(nèi)通入壓力交變的50%乙二醇和 50%水的混合液。液體介質(zhì)的壓力從 30kPa上升到125kPa，經(jīng)保壓后再回到30kPa為一個(gè)壓力循環(huán)。循環(huán)時(shí)間為6s～10s，保壓時(shí)間為3s～5s，循環(huán)5×104次，散熱器的溫度在 120±5℃，95±5℃，試驗(yàn)后，進(jìn)行密封性能測(cè)試，符合 QC/T468-2010標(biāo)準(zhǔn)。在多次試驗(yàn)進(jìn)行中，均沒有發(fā)生扁管爆裂現(xiàn)象，說明整流型散熱器有效地減少了汽車散熱器扁管爆裂現(xiàn)象的發(fā)生。

5 結(jié)論

（1）散熱器扁管根據(jù)距離進(jìn)水口的距離不同，扁管內(nèi)流體的流速不同，導(dǎo)致扁管所受壓力不同。

（2）汽車散熱器在使用過程中易產(chǎn)生裂紋甚至爆裂情況的根本原因是應(yīng)力集中。

（3）通過對(duì)汽車散熱器添加上、下整流罩，有效的均化了扁管內(nèi)的流速，進(jìn)而平衡了各扁管所受應(yīng)力。

（4）新型散熱器在均化扁管內(nèi)流速，平衡散熱器扁管所受應(yīng)力方面具有顯著作用，可以有效防止散熱器扁管爆裂的情況，延長(zhǎng)汽車散熱器的使用壽命。

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