管帶式汽車散熱器流動阻力與傳熱性能分析

摘 要：管帶式汽車散熱器流動阻力與傳熱性能分析采用理論分析方法，通過編制流動阻力與傳熱性能計算程序，得到常規工況范圍內的計算數據。在計算數據中，有散熱器結構參數，也有流動阻力與傳熱性能參數，通過分析散熱器結構參數對流動阻力與散熱性能的影響，最終得到的結論是：散熱量隨著散熱帶波距的減小而增加，風阻隨之增大。散熱帶的材料不同，散熱性能也不同，散熱量隨著散熱帶導熱系數的提高而增大。

關鍵詞：散熱器；流動阻力；傳熱性能

中圖分類號：U464.138 文獻標識碼：A 文章編號：1004-7344（2018）29-0289-02

散熱器是汽車冷卻系統中的重要部件，其作用是冷卻發動機系統，提升發動機的經濟性和可靠性。經過對內部流動結構和阻力特性的系統研究，發現目前國內散熱器產品中，采用管帶式散熱器的內部流動結構的設計方式，能夠改善產品的結構，使得產品向著高效、低耗、輕量化的方向發展。

在國內一些汽車散熱器廠家中，散熱器的應用和設計都是隨著當地的氣候環境和特殊地理環境而進行的。在夏天散熱量不夠，發動機開鍋的情況也是時有發生。因此，為了在給定的裝配邊界尺寸基礎上，提高散熱器的散熱能力，應對管帶式散熱器進行流動阻力與傳熱性能進行研究。通過編制的計算程序，將散熱器的結構參數和散熱帶的材質進行方案設定，目的是運用計算機實現散熱器結構的程序化設計，提高設計的準確性，最終為產品的改善提供理論依據[1]。

1 理論計算值和試驗數值

以理論模型為基礎的計算，我們編制了散熱器的流動阻力和傳熱性能的計算程序，對汽車散熱器的散熱量和風阻進行了相應的測量，得到了汽車散熱器的主要結構尺寸。

在常見的工況范圍內隨著風速的增加，散熱器進口的水溫為90℃，風溫為30℃，冷卻水的流量分別是40L/min和75L/min，比較散熱器傳熱性能值和實測值之后我們發現，實測值和理論值是基本吻合的。高風速的區域的誤差較大，實測值經過和理論數值的比較之后，偏差增大，這是由于風阻理論中的計算公式，在高風速區的理論數值偏低，沒有計算散熱器的芯片中的局部阻力，而是計算了散熱器的芯片內部的阻力，實測的數值和理論的數值是基本吻合的[2]。

2 散熱帶的結構參數對散熱器的影響

采用編制的計算程序，對于不通的散熱帶結構進行風阻和傳熱特性的計算，對各個結構參數的影響加以討論。

（1）在其他參數不變的前提下，對不同的散熱帶波距進行傳熱性能和風阻的理論計算。散熱量隨著散熱帶波距的減小而增加，風阻隨之增大，芯體重量隨之增大。

（2）隨著百葉窗開窗角度的不斷增加，散熱器的風阻和散熱量也不斷增加，散熱量的增加幅度相對減少[3]。

（3）在厚度的變化范圍內，隨著散熱器的散熱量和風阻的不斷增加，開窗的角度也不斷的增加，當散熱帶的材質為純銅時，散熱帶的波距為3.6mm，導熱系數為398W/m2·K，隨著百葉窗厚度增大，散熱量不同，散熱器的風阻和散熱量也隨之增加[4]。冷卻水的流量為40L/min，此時散熱器的散熱量，百葉窗的開窗角度為30°，應該顯示為空氣流速和風阻，散熱帶的材質在散熱性能的影響上，純銅的散熱量較高，散熱帶的材料的導熱系統，純銅的散熱帶發生了提高，產生了相應的風測換熱性能，散熱帶的厚度發生變化，整臺的散熱器的散熱量增大。

3 管帶式汽車散熱器的傳熱性能分析

汽車散熱器是發動機冷卻系統的重要部件，主要由主片、冷卻管、散熱帶、護板、水室、密封條、等零件組成。散熱器主片與冷卻管按一定間隙（<0.1mm）相互配合后，同時經過620℃左右的高溫，熔化材料表面焊料，焊接密封，最后與水室通過密封條密封組裝，組成一個封閉的散熱器系統。散熱量結構參數中主片是汽車散熱器的關鍵連接部件，生產成本低，其結構設計的合理性，直接影響散熱器的成形質量，影響散熱器可靠性。

通常芯子正面面積Ff是對散熱性能影響最大的，廠家希望在安裝尺寸允許的前提下，按影響的大小各參數排列次序：芯厚-散熱面積S與正面面積Ff-散熱帶（片）形狀-冷卻水管尺寸。在諸多結構參數中的大小次序是：結構型式-主片與水室結構參數-冷卻水管-系統壓力大小-生產工藝水平。在設計或選用現有散熱器時，結合不同車型和使用工況的區別，切不可盲目追求單項指標，全面綜合分析結構型式、參數、系統壓力值大小、生產工藝水平對散熱器的相互影響，充分考慮生產工藝及裝備、生產成本，之后再確定其他各參數。散熱器的發展趨勢之一就是大幅度地提高散熱能力。在首先確定結構型式，擴大正面面積Ff并減少芯厚。盡可能把正面面積Ff選擇大一些。

從統計數據得知，風阻減小，散熱面積基本不變情況，如果正面面積Ff增大17%，風溫提高5℃。同時，管片式汽車散熱器的主片呈平行設置，散熱能力增加11%，增大通過散熱器芯體的風量，所述板狀本體有若干數量，呈波紋狀設置，散熱器設計過程中所述板狀本體上設置，在其他部件不變的前提下；包括呈矩形設置的板狀本體，來估算芯子正面面積Ff。所述板狀本體用于連接散熱器扁管的條形孔，四周設置條形孔，板狀本體一側凸起周壁，所述板狀本體的波紋常采用計算法加以計算，計算結果如下：

Ff≥0.1+0.032Vn（1）

式中：Ff——芯子正面面積單位為m2；

Vn——發動機排量。

Ff=（0.0027～0.0034）Nemax（2）

式中：Nemax——發動機標定功率，kW；

Nemax<73.5kW取上限，Nemax>73.5kW取下限。對管片式結構的散熱器在求得Qmax之后，參考JB2291-2292-78附錄的數據，按初步選擇的芯厚T和片距t，依據公式（1）進行估算：

Ff=Fn·Qmax/Qn（m2）（3）

因為Fn為1m2，因此公式（1）也可以簡化成：

Ff=Qmax/Qn（m2）（4）

芯子面面積為1m2時兩種冷卻水管排列方式；四排冷卻水管，散熱帶（片）形狀可以提高散熱系數K值，實現在不增加生產成本和不增大空間尺寸的前提下提高熱能力。

4 結 語

本文采用計算機程序計算得到的汽車散熱器的傳熱和風阻性能的數值，與實測值，與常規的工況范圍是基本吻合的。散熱帶的波距，經過對散熱器的性能的參數的比較，發現改變散熱帶材質之后，例如純銅，散熱器的重量將保持不變。

參考文獻

[1]熊呈輝，繆屹峰.管芯式散熱器結構特點[J].南方金屬，2017（5）：55～57.

[2]張云龍.平行流汽車空調散熱器用鋁合金多孔扁管材的研究[J].時代農機，2016（2）：54，56.

[3]胡書紅.基于熱分析的LED汽車前照燈結構設計及優化[D].中國計量學院，2013.

[4]成都東浩散熱器有限公司.一種汽車發動機的散熱裝置：中國，CN201710382335.8[P].2017-09-01.

收稿日期：2018-8-22

作者簡介：方建府（1989-），男，壯族，廣西武鳴人，助理工程師，本科，主要從事換熱系統設計工作。