板翅式冷卻器結構參數優化與仿真

方 博，劉 磊 ，李建秋，張欽國

（1.江西應用工程職業學院 機電工程系，江西 萍鄉 337042；2.中原工學院 能源與環境學院，河南 鄭州 450007；3.清華大學 汽車安全與節能國家重點實驗室，北京 100084）

1 引言

機油冷卻器的作用是控制給發動機潤滑的機油在合適的工作溫度，從而保證發動機的可靠性和工作效率。在高性能、大功率的發動機上，由于熱負荷較大，為了避免發動機燒瓦拉缸的事故，必須在潤滑油路中加裝機油冷卻器，但是由于散熱器的散熱量不足，導致發動機工作時機油溫度一直較高。

板式散熱器是一種高效、緊湊的熱交換器，非常適合作為發動機的機油冷卻器使用，因此了解其工作性能的優劣具有重要的意義。目前針對散熱器的研究主要采用試驗的方法，而采用計算流體動力學（Computational Fluid Dynamics，簡稱CFD）仿真方法和各種優化算法對散熱器進行結構參數優化設計得到了越來越多的應用。文獻[1]基于計算流體動力學的方法對某款板翅式散熱器傳熱性能進行了研究，并用遺傳算法進行了優化。文獻[2]基于多目標遺傳算法對串連通道水冷散熱器進行了優化設計，并采用CFD方法進行了驗證。文獻[3]采用粒子群優化算法對板翅式散熱器進行了參數優化。文獻[4]對板式散熱器內部通過納米流體的工作性能進行了試驗研究。文獻[5]對板式換熱器板片的流動特性及熱固耦合進行了CFD模擬，并對生產工藝進行了研究。文獻[6-7]對水冷型散熱器的工作性能進行了試驗研究。盡管國內外學者對板式散熱器的研究較多，但是專門針對車用發動機機油冷卻器的板式散熱器的研究較少，因此對其進行研究很有實際意義。

鑒于此，以車用人字形波紋板式散熱器綜合性能評價因子作為優化目標，采用遺傳算法并對波紋板結構進行優化設計，尋找最優的結構參數。采用CFD的方法模擬人字形波紋板式散熱器內部結構參數（波紋節距、波紋高度和波紋傾角）對散熱器換熱性能和阻力性能的影響，最后用CFD方法驗證優化方法的有效性并且分析不同雷諾數下散熱器的綜合性能，并用試驗進行了樣件的測試。

2 結構參數優化

2.1 優化模型

板式散熱器內部人字形波紋板的結構，如圖1所示。影響其結構的參數主要有波紋節距λ、波紋高度δ、波紋傾角β。

圖1 人字形波紋板結構圖Fig.1 Chevron Bellows Harden Composition

不同的波紋板結構參數下，散熱器的工作性能不同。然而發動機對機油的壓力具有嚴格的要求，壓力太高不利于潤滑而且對增大了機油泵的功率，因此設計一款在滿足散熱要求的前提下壓降應盡可能的小的散熱器至關重要。采用遺傳算法對人字形波紋板式的結構參數進行全局最優優化。為了對不同翅片結構參數的工作性能進行評估，采用評價標準TPF來進行評價散熱器的綜合性能[8]。

2.2 優化過程

本次優化的主要參與變量有波紋高度δ、波紋節距λ、波紋傾角 β，優化變量為：X=［δ，λ，β］ （1）

將散熱器綜合性能評價因子TPF作為設計目標，具體目標函數表達式為[9]：

式中：Nu、f—強化表面的努賽爾數和摩擦因子；Nuch、fch—未強化表面的努賽爾數和摩擦因子。

約束條件為：

表1 遺傳算法參數列表Tab.1 Genetic Algorithm Parameter List

2.3 優化結果

圖2 TPF優化過程Fig.2 TPF Optimization Process

在MATLAB遺傳算法工具箱中運行主程序，迭代求解的過程，如圖2所示。人字形板式散熱器工作性能最佳的波紋板結構參數最終優化結果為波紋節距為13.7mm、波紋高度為5.2mm、波紋傾角為49.5°。

3 CFD驗證分析與試驗測試

3.1 計算模型

為了模擬人字形板式散熱器內部復雜的流場，取其一個單元流道作為仿真模型，該模型包含兩層波紋板，兩片波紋板兩側及中間為流體的流動區域，流固耦合計算模型，如圖3所示。其中單流道長度取換熱器的實際長度為200mm，寬度為40mm。

圖3 流固耦合流道Fig.3 Fluid-Structure Interaction Flow Channel

3.2 控制方程

由于板式散熱器內部流體的流動形式主要為湍流，為了得到更為精確的流體的流動和換熱仿真結果，所以采用RNG k-湍流模型，計算中采用的基本控制方程如下[10]：

（1）連續性方程

（2）動量方程

（3）能量守恒方程

（4）RNG k-ε方程：

3.3 網格劃分和邊界條件

由于人字形板式散熱器內部流道結構復雜，故對整個計算模型采用非結構網格進行劃分，經過網格無關性檢驗后最終確定計算模型的總網格數目約為287萬。

采用fluent軟件進行三維仿真分析，邊界條件設置如下：

湍流模型：RNG k-ε。

冷、熱流體進口：velocity-inlet。

冷、熱流體出口：pressure-out。

上下表面：symmetry。

左右表面：periodic。

冷流體選用水，熱流體選用機油，具體參數，如表2所示。

表2 流體的物理性質Tab.2 Physical Properties of Fluid

3.4 仿真結果分析

不同的結構參數（波紋高度δ、波紋節距λ、波紋傾角β）對波紋板式散熱器的換熱和阻力性能具有重要的影響。采用的是小型水冷型機油冷卻器，在相同雷諾數下改變波紋高度、波紋節距和波紋傾角三個結構參數，采用CFD方法分別對人字形波紋板式散熱器進行仿真，并根據仿真結果分析該散熱器作為機油冷卻器使用時機油一側內部的傳熱和阻力特性。不同的波紋高度下波紋板之間的速度場和溫度場的CFD仿真結果，如圖4所示。從圖中可以看出，流體在上下波紋板形成的復雜流道內曲折流動，盡管機油的粘度較高，但是在流動過程中形成強烈的湍流，呈現較大的黃色漩渦區域，速度變化呈現人字形交叉的變化規律。溫度分布云圖形狀與速度場的形狀相對應，機油的溫度沿流道逐漸降低，在形成漩渦的地方，機油的溫度要低于其它的區域，主要原因是渦旋區域形成較大的湍流，改變了場協同角，增加了冷熱流體間的強化傳熱。

圖4 CFD仿真結果Fig．4 CFD Simulation Results

為了驗證采用遺傳算法優化結構參數結果的可靠性，采用CFD方法對不同結構參數的波紋板的工作性能進行的仿真和比較，對比結果，如表3所示。其中序號1對應的是最優解，通過控制變量法進行性能對比。從表中仿真結果的數據可以看出，在相同的雷諾數下，散熱器機油的流動阻力得到有效控制，在壓降相差很小的情況下，第一列最優解的散熱器的傳熱性能最優，表明采用CFD方法和遺傳算法進行仿真和參數優化具有較高的準確性。

表3 CFD仿真結果Tab.3 CFD Simulation Results

圖5 綜合性能Fig．5 Comprehensive Performance

優化后的波紋板結構在不同的流量下的綜合性能仿真結果，如圖5所示。通過CFD分析發現，四列參數波紋板散熱器的評價因子的值均＞1，表明綜合性能都較好，但是第一列數的評價因子的值最大，表明性能最好。隨著雷諾數的增大，評價因子的值呈現先升后降的變化趨勢，在雷諾數為2000時綜合性能最好。通過對比發現，雷諾數越大，最優的結構參數與其它的三種結構的評價因子的差距越小，說明優勢越來越小。

3.5 試驗測試

針對3．4節中的優化結果中的第一組散熱器結構委托廠家進行了加工，并進行了試驗測試，該機油冷卻器內嵌在柴油機水道內部，如圖6（a）所示。冷卻液和機油逆向流動，測量發動機在不同轉速下機油溫度變化隨流量變化情況，試驗結果，如表4所示。從試驗結果可以看出，機油的溫度基本維持在（91～93）℃，在發動機允許的機油溫度范圍內，通過比較原結構的散熱器的換熱量，新結構的換熱量具有一定的提高。測試結果表明采用的研究方法改進機油冷卻器的性能可靠有效。

圖6 發動機試驗臺Fig．6 Engine Test Bench

表4 試驗結果及比較Tab.4 Test Results and Comparison

4 結束語

采用遺傳算法對人字形板式機油冷卻器進行了結構優化，在邊界條件一定的情況下，以綜合性能評價因子為目標，采用遺傳算法對人字形波紋板的結構參數進行了優化，得到了波紋板式散熱器三個主要結構參數波紋高度、波紋節距和波紋角度對散熱器阻力特性和傳熱特性的影響，得到了最佳結構參數方案。采用CFD方法對優化結果進行了驗證仿真，通過對比表明采用遺傳算法得到的最佳結構下散熱器工作性能最優，驗證了優化結果的準確性。繼而分析了不同雷諾數下散熱器的工作性能，為以后波紋板式散熱器的設計提供了技術支持。對樣件進行了發動機應用測試，為以后用在發動機上作為機油冷卻器使用提供了參考。