散熱器翅片參數對其性能的影響研究

金開 鄭磊 朱蕾 趙增耀

摘 要：為研究散熱器翅片參數對其性能的影響，運用AMESim軟件搭建某商用車發動機冷卻系統，研究散熱器翅片參數對其性能的影響。研究表明：散熱器的外翅片間距對其散熱能力有較大影響，隨著翅片間距，散熱器換熱能力增大;散熱器內翅片間距的變化并不會對散熱器的散熱性能造成明顯影響;散熱器內翅片的高度不宜過小。

關鍵詞：冷卻系統;散熱器;翅片;AMESim

中圖分類號：U464 ?文獻標識碼：B ?文章編號：1671-7988（2020）05-126-03

Abstract： In order to study the influence of radiator fin parameters on its performance， AMESim software was used to build a cooling system of a commercial vehicle engine， and the influence of radiator fin parameters on its performance was studied. The results show that the space between the outer fins of the radiator has a great influence on its heat dissipation ability. The change of fin spacing in radiator does not affect the heat dissipation performance of radiator obviously. The height of fin inside radiator should not be too small.

Keywords： Cooling system; Radiator; Fin; AMESim

引言

冷卻系統是汽車發動機的重要組成部分，其中散熱器是核心部件。發動機冷卻系統散熱能力不足導致的故障嚴重影響產品的質量。

目前國內汽車廠在前期設計中，一般將冷卻模塊作為一個整體交由供應商進行設計，后期通過整車熱平衡試驗驗證冷卻系統性能，該方法周期長且耗費大量人力、物力，且極易造成冷卻系統匹配不合理造成整車設計失敗。張斌等[1]通過仿真分析得到散熱器在指定工況下的溫度變化特性;張秉坤等[2]利用AMESim軟件建立了冷卻系統模型，研究了散熱器芯子尺寸對散熱器性能的影響;李文躍等[3]通過AMESim軟件建立冷卻系統的一維仿真模型，對備選散熱器進行了校核計算;徐立平等[4]運用AMESim軟件對發動機冷卻系統進行了匹配計算。綜合來看，對冷卻系統的研究主要集中在原件匹配以及系統性能預測兩個方面，針對原件的研究較少。

本文以某型號國產商用車為研究對象，基于AMESim平臺搭建其發動機冷卻系統仿真模型，探討散熱器內、外翅片的間距和高度等因素對其散熱性的影響，為散熱器的選型設計提供參考。

1 結構模型

該型號商用車散熱器類型為板翅式，具有結構緊湊，換熱強度大等特點。圖1為單層翅片的結構示意圖。

2 冷卻系統模型搭建

2.1 發動機模型

發動機冷卻系統采用水冷閉式強制循環冷卻系統，通過水泵加壓使冷卻液在發動機機體和汽缸蓋水套等組成的封閉循環通路中流動。

冷卻系統散走的熱量受許多復雜因素的影響，很難精確計算，初步估算可采用以下公式：

式中：φ為發動機冷卻損失系數，柴油機一般取0.18～ 0.25;ge為發動機燃油消耗率;P為發動機功率;hn為燃料低熱值。

2.2 水泵模型

對于水泵消耗的功率，可由下式計算：

2.3 散熱器模型

散熱器熱側流動阻力通過下式計算：

式中：K為流動阻力損失系數;ρc為冷卻液密度，Vc為冷卻液流速。

式中：km為散熱器管道的導熱系數;Ga和Gf為空氣和冷卻液的質量流量;aair和bair為空氣側對流修正系數;af和bf為冷卻液側的對流修正系數。

2.4 風扇模型

2.5 冷卻系統模型搭建

應用多學科高級仿真平臺AMESim建立冷卻系統仿真模型，分別調用熱液壓庫、冷卻系統庫、熱交換器庫以及信號庫的部分元件，建立包含水散熱器、水泵、風扇等在內的仿真模型，系統中部件的連接與實際冷卻系統連接方式一致，如圖2所示。其中，發動機體可以看作一個熱源，直接給定散熱量，散熱器性能參數通過臺架實驗獲取，水泵和風扇的特性曲線由供應商提供。

3 仿真研究

3.1 散熱器外翅片間距對散熱能力的影響

根據散熱器供應商提供的數據，該散熱器外翅片的間距調整范圍為2～3mm，變化步長為0.2mm。保持其他參數不變，調整外翅片間距，帶入仿真模型計算散熱器性能，散熱器出口水溫隨外翅片間距變化規律見圖3。

由圖3可知，散熱器出口水溫隨著外翅片間距的增加而增大。分析認為，在散熱器總寬度不變的條件下，外翅片間距增加會導致翅片數量減少，即減小了空氣側總換熱面積，削弱了散熱器的熱交換能力，因而散熱器出口水溫增大。

式中，△T2為散熱器出口水溫隨外翅片間距變化幅值;△Sw為散熱器外翅片間距變化量。

代入圖3的數據至（7）式，可得外翅片間距平均敏感度為9.5573℃/mm。

3.2 散熱器內翅片間距對散熱能力的影響

根據散熱器供應商提供的數據，該散熱器外翅片的間距調整范圍為5～10mm，變化步長為1mm。保持其他參數不變，帶入仿真模型計算散熱器性能，散熱器出口水溫隨外翅片間距變化規律見圖4。

由圖可知，散熱器出口水溫隨著內翅片間距的增加而減小。分析認為，散熱器內翅片間距增大勢必減小內翅片數量，從而減小散熱器的水側總換熱面積;另一方面，散熱器水側阻力受到內翅密度制約，內翅片間距增大有利于冷卻液流量提升，增大散熱器的換熱量，綜合效果為散熱器散熱能力有所增強。

代入圖4的數據至（8）式，可得內翅片間距平均敏感度為0.0313℃/mm。

3.3 散熱器內、外翅片高度對散熱能力的影響

由于散熱器芯體的尺寸受整車布局的限制，所以外翅片高度增加值需與內翅片高度減小值保持一致。設定內翅片高度變化范圍為2～4mm;變化步長為0.5 mm;對應外翅片高度變化范圍為9.4～11.4 mm。內、外翅片高度變化時;水泵流量和風扇的風量也隨之變化，繼而影響到散熱器的換熱量。翅片高度對散熱能力的影響見圖5。

由圖可知，散熱器出口水溫隨著內翅片高度的增加而迅速減小。分析認為，散熱器內翅片高度決定了水側通道的水力直徑，內翅片高度增大，增大了水側的換熱面積，由于外翅片高度降低，增大了空氣側的阻力，導致流經散熱器的空氣流量減小，因此，當內翅片高度增大到一定程度后，散熱器的換熱能力不再增加。總的來說，內翅片的高度不宜過小。

4 結論

通過搭建發動機冷卻系統仿真模型，分析翅片幾何參數對散熱器的散熱能力的影響，得到以下結論：

（1）散熱器的外翅片間距對其散熱能力有較大影響，隨著翅片間距，散熱器換熱能力增大。

（2）散熱器內翅片間距的變化并不會對散熱器的散熱性能造成明顯影響。

（3）散熱器內翅片的高度不宜過小。

參考文獻

[1] 張斌等.基于AMESim的發動機散熱器散熱性能研究[J].現代機械， 2018（1）：44-48.

[2] 張秉坤等.基于AMESim 發動機冷卻系統的參數匹配仿真分析[J].機械設計與制造，2016 （12）：190-193.

[3] 李文躍等.發動機冷卻系統匹配計算與仿真分析[J].建筑機械， 2017 （12）：67-70.

[4] 徐立平等.基于AMESim 發動機冷卻系統匹配仿真分析[J].機械研究與應用，2014（1）：42-44.