汽車翼型百葉窗翅片散熱器性能對(duì)比分析

李嘉旭 侯亞璇 劉佳鑫 蔣炎坤

摘要：為了提高某汽車管帶式散熱器的綜合性能，保證車輛正常行駛的穩(wěn)定性，根據(jù)廠商提供的散熱器幾何參數(shù)，對(duì)其進(jìn)行性能分析、仿真計(jì)算與結(jié)構(gòu)優(yōu)化。建立該管帶式散熱器單元體模型并進(jìn)行數(shù)值計(jì)算，將仿真結(jié)果與試驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比，以驗(yàn)證該仿真模型的準(zhǔn)確性。在保持散熱面積近似不變的前提下，將NACA0018翼型作為百葉窗翅片的結(jié)構(gòu)特征，將傳統(tǒng)百葉窗翅片和翼型百葉窗翅片采用相同的方法仿真計(jì)算，獲得散熱器空氣側(cè)的換熱系數(shù)和壓力損失，進(jìn)而計(jì)算JF評(píng)價(jià)因子并比較。結(jié)果表明：原散熱器的仿真結(jié)果和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，換熱系數(shù)和壓力損失誤差最大值分別為4.93%、4.38%，在可接受范圍之內(nèi)，驗(yàn)證了仿真的準(zhǔn)確性;在空氣速度為2～12m·s-1的區(qū)間內(nèi)，改進(jìn)后的散熱器的JF因子要高于原散熱器，當(dāng)空氣流速為12m·s-1時(shí)，改進(jìn)后散熱器的JF因子高出約13.58 %。

Abstract： In order to improve the comprehensive performance of a vehicular pipe-belt radiator and guarantee the stability of normal driving， the performance analysis， simulation calculation and structural optimization were conducted based on the geometrical parameters of the radiator provided by the manufacturer. The unit cell model of the pipe-belt radiato for numerical analysis was established， and the simulation results were compared to experimental data to verify accuracy of the simulation. Under the premise of maintaining the heat dissipating area approximately， with wing type NACA0018 as the structural feature of louvered fins， the same method was applied to traditional shutter fins and wing-type shutter fins for simulation calculation so as to obtain the heat transfer coefficient and pressure loss of the air side of the radiator. And the comparison of the front and rear radiator JF factors was calculated. The results show that compared with the experimental data， the maximum value of heat transfer coefficient and pressure loss error is 4.93% and 4.38%. The accuracy of the simulation was verified in the acceptable range. Compared with the non-improved fin structure of heat pipe， the JF factor of the improved radiator was higher over a velocity range of 2～12m·s-1. When the velocity of flow reached 12 m·s-1， the JF factor of the improved radiator overflowed by around 13.58%.

關(guān)鍵詞：車輛散熱器;百葉窗翅片;數(shù)值分析;翼型翅片;JF因子;計(jì)算流體力學(xué)

Key words： vehicle radiator;louvered fin;numerical analysis;wing-shaped fin;JF factor;CFD（computational fluid dynamics）

0 ?引言

隨著國(guó)家經(jīng)濟(jì)的迅速發(fā)展，汽車保有量迅速增加，對(duì)環(huán)境的污染日益嚴(yán)重，因此節(jié)能減排顯得尤為重要。汽車在正常行駛過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生大量的熱量，只有將這些熱量及時(shí)散出車輛，才能保證汽車各個(gè)系統(tǒng)在一個(gè)穩(wěn)定的溫度區(qū)間內(nèi)運(yùn)作。良好的散熱器可以保證發(fā)動(dòng)機(jī)艙工作的穩(wěn)定性，提升燃油的燃燒效率，起到節(jié)能減排的效果。汽車散熱器基本采用管帶式，其中百葉窗翅片具有較高的傳熱效率。而散熱器的性能通常從流動(dòng)阻力與散熱量來(lái)評(píng)價(jià)，散熱量會(huì)隨著流動(dòng)阻力的降低而減少，因此擁有較低流動(dòng)阻力，同時(shí)擁有較高散熱量的散熱器性能更好。

百葉窗翅片是汽車散熱器翅片類型中的主流，百葉窗翅片通過(guò)增大傳熱面積、擾動(dòng)流體、破壞流體邊界層來(lái)強(qiáng)化換熱效果。通過(guò)改變百葉窗翅片的高度、長(zhǎng)度和間距能有效提高綜合散熱性能[1-2]，劉佳鑫等[3-6]利用CFD對(duì)翼型熱管和傳統(tǒng)扁平型熱管單元體進(jìn)行模擬，利用JF評(píng)價(jià)因子得到翼型熱管綜合性能高于傳統(tǒng)熱管。馮少聰?shù)萚7]通過(guò)仿真對(duì)比分析，得出工程車輛五位數(shù)翼型熱管散熱器性能優(yōu)于四位數(shù)翼型熱管散熱器性能。周光輝等[8]提出了一種橢圓形百葉窗翅片，利用CFD進(jìn)行模擬研究，綜合JF因子評(píng)價(jià)，得到橢圓形百葉窗翅片的空氣性能更好，散熱效果優(yōu)于傳統(tǒng)百葉窗翅片。J.K Jang等[9]采用共軛梯度法對(duì)變角度百葉窗和傳統(tǒng)百葉窗進(jìn)行了數(shù)值模擬。A. Saleem等[10]對(duì)36種不同結(jié)構(gòu)的百葉窗翅片結(jié)構(gòu)進(jìn)行了參數(shù)化研究，并利用JF因子進(jìn)行評(píng)價(jià)。

基于以上研究，本文通過(guò)CFD仿真模擬對(duì)傳統(tǒng)百葉窗翅片和翼型百葉窗翅片單元體進(jìn)行仿真計(jì)算，得出翼型百葉窗翅片較傳統(tǒng)百葉窗翅片具有更低的流動(dòng)阻力和更高的散熱能力，為今后翅片的改進(jìn)提供參考。

1 ?控制方程及散熱器物理模型

1.1 控制方程

控制方程分別為動(dòng)量守恒方程、能量守恒方程和質(zhì)量守恒方程。

動(dòng)量守恒方程為

式中：ρ—密度;U—速度矢量;η—流體動(dòng)力粘度;p—壓強(qiáng);t—時(shí)間;u，v和ω分別為U在x，y和z方向上的分量。

其中λ—導(dǎo)熱系數(shù)。

能量守恒方程為

式中：T—流體溫度;h—換熱系數(shù);Cp—流體定壓比熱容;ST—粘性耗散項(xiàng)。

質(zhì)量守恒方程為

1.2 散熱器物理模型

冷卻水在翅片頂部和底部的扁管中流動(dòng)，與扁管的內(nèi)壁面發(fā)生熱交換，熱量再由扁管和翅片向外界導(dǎo)出，空氣從翅片間流過(guò)，與翅片和多孔扁管接觸，發(fā)生熱交換。百葉窗翅片是間斷式的表面，增大了翅片側(cè)的換熱系數(shù)，有利于翅片傳熱。

在UG10.0中建立某型汽車使用的的管帶式百葉窗翅片散熱器模型，結(jié)合文獻(xiàn)[11]，具體參數(shù)如表1。

2 ?原模型仿真與試驗(yàn)驗(yàn)證

2.1 網(wǎng)格劃分與設(shè)置

使用Gambit進(jìn)行網(wǎng)格劃分，并采用Fluent15.0進(jìn)行仿真，對(duì)網(wǎng)格數(shù)量進(jìn)行無(wú)關(guān)性檢驗(yàn)，對(duì)網(wǎng)格模型分別進(jìn)行仿真計(jì)算，計(jì)算不同網(wǎng)格數(shù)量模型的翅片表面散熱量和空氣側(cè)的壓降，確定網(wǎng)格數(shù)量為850萬(wàn)左右。

依據(jù)文獻(xiàn)[2]，為了防止空氣回流對(duì)仿真結(jié)果產(chǎn)生影響，在翅片模型的進(jìn)出口分別建立一段延長(zhǎng)區(qū)域。使用簡(jiǎn)化的隔板模型來(lái)代替熱管。翅片的排列具有周期性和對(duì)稱性，具體邊界設(shè)定如圖1所示。

2.2 相關(guān)仿真邊界設(shè)定

根據(jù)實(shí)際作業(yè)狀況，確定散熱器模型的仿真參數(shù)。參照文獻(xiàn)[12]，對(duì)速度入口為6m/s的模型進(jìn)行仿真，選用標(biāo)準(zhǔn)k-ε湍流模型，流體為空氣，忽略升浮力。具體參數(shù)如表2。

2.3 仿真結(jié)果分析

網(wǎng)格模型在Fluent15.0中進(jìn)行仿真，當(dāng)整場(chǎng)迭代殘差無(wú)明顯變化后提取仿真結(jié)果，如圖2所示。

由圖2（a）可以看出：在入口處的壓強(qiáng)較高，隨著流程增加，壓力逐步降低，變化最為明顯的是翅片冷熱交替處，這是由于流通截面變化較為劇烈，雷諾數(shù)增大，每次通過(guò)翅片通過(guò)翅片截面時(shí)，壓強(qiáng)均會(huì)有所下降。圖2（b）為溫度云圖，空氣的溫度隨著流程的增加而增加，翅片附近的空氣溫度較高，這是由于此處溫差大，換熱較為明顯由翅片尾部。

2.4 試驗(yàn)驗(yàn)證

為了驗(yàn)證仿真結(jié)果的準(zhǔn)確性，在散熱器生產(chǎn)商處進(jìn)行相關(guān)試驗(yàn)，試驗(yàn)參照J(rèn)B/T8577—2005《內(nèi)燃機(jī)水散熱器技術(shù)條件》等國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，依據(jù)文獻(xiàn)將試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行轉(zhuǎn)化，在速度區(qū)間內(nèi)將試驗(yàn)與仿真進(jìn)行對(duì)比。結(jié)果表明：試驗(yàn)與仿真結(jié)果在空氣側(cè)換熱系數(shù)（H）和壓強(qiáng)損失（Δp）方面總體吻合，且最大誤差不超過(guò)5%。但是兩者的換熱系數(shù)和壓力損失仍存在差異，這是由于試驗(yàn)結(jié)果受到翅片表面粗糙度、釬焊工藝、測(cè)試誤差和環(huán)境差異等因素的影響。

3 ?改進(jìn)模型及仿真結(jié)果分析

3.1 百葉窗翅片改進(jìn)模型

決定散熱器性能好壞的兩個(gè)重要指標(biāo)分別是散熱量和壓力損失。提高散熱器性能的方法之一是保持散熱面積近似不變，降低壓力損失。基于該點(diǎn)考慮，對(duì)百葉窗翅片的幾何特征進(jìn)行改進(jìn)，在保持翅片表面積接近的情況下，盡量降低空氣的沿程阻力。

根據(jù)文獻(xiàn)[4]，考慮機(jī)翼型具有較低的阻力特征，選用NACA0018建立模型，如圖3所示。

3.2 NACA0018翼型百葉窗翅片改進(jìn)模型的仿真結(jié)果

改進(jìn)模型單元體的網(wǎng)格劃分、邊界條件設(shè)置及各流體參數(shù)設(shè)置均與原始模型相同。提取入口風(fēng)速為6m·s-1時(shí)，翼型翅片百葉窗翅片模型單元體的仿真結(jié)果如圖4。將如圖4（a）所示翼型百葉窗翅片的壓力分布云圖與傳統(tǒng)百葉窗翅片的壓強(qiáng)云圖相對(duì)比，兩者整體壓力分布類似，讀取數(shù)據(jù)后發(fā)現(xiàn)不同，翼型翅片模型速度入口處的空氣壓強(qiáng)約為228.8～244.8Pa，在經(jīng)過(guò)四個(gè)翼型百葉窗區(qū)域之后，空氣壓強(qiáng)下降了約48.0～80.1Pa，與普通百葉窗翅片結(jié)構(gòu)相比，翼型百葉窗翅片結(jié)構(gòu)整體壓強(qiáng)變化幅度較小。溫度仿真結(jié)果如圖4（b）所示。與原模型相比，翼型百葉窗翅片結(jié)構(gòu)內(nèi)壓力損失較低，導(dǎo)致低溫空氣流程較長(zhǎng)，中間的低溫空氣升溫區(qū)也更接近出口，平均溫度達(dá)到80.74～83.49℃。根據(jù)矢量分析，翼型翅片的尾端沒(méi)有渦流產(chǎn)生，因此熱傳遞效率更高。

4 ?綜合性能對(duì)比

對(duì)兩種百葉窗翅片在不同風(fēng)速下進(jìn)行仿真分析，得到各自的換熱系數(shù)和壓力損失，進(jìn)行對(duì)比，如圖5所示，其中實(shí)線為傳統(tǒng)百葉窗翅片的仿真結(jié)果，虛線為翼型百葉窗翅片的仿真結(jié)果。

從圖5中可以看出：

①兩種百葉窗翅片的壓力損失和換熱系數(shù)都隨著入口風(fēng)速的增加而增加。

②翼型百葉窗翅片的換熱系數(shù)略高于傳統(tǒng)百葉窗翅片，主要因?yàn)橐硇桶偃~窗翅片的散熱面積略大于傳統(tǒng)百葉窗翅片;翼型百葉窗翅片的壓力損失相比傳統(tǒng)百葉窗翅片明顯降低。

文中采用無(wú)量綱因子（？琢jf）對(duì)兩種翅片的表面性能進(jìn)行進(jìn)行更加綜合的評(píng)價(jià)，該因子越大代表阻力越小，傳熱性能越好，綜合性能也就越好。其中j、f分別為傳熱因子和摩擦因子。

無(wú)量綱傳熱j因子表達(dá)式為：

無(wú)量綱摩擦因子f表達(dá)式為：

式中，h為換熱系數(shù);Pr為普朗特?cái)?shù);L為流程長(zhǎng)度;ΔP為沿程壓力降;ρ為流體密度;u為空氣體平均速度;ρm為流體平均密度;dh為水力直徑。

對(duì)比結(jié)果如圖6所示，總體上得益于翼型百葉窗翅片具有更低的流動(dòng)阻力，翼型百葉窗翅片結(jié)構(gòu)的JF因子要高于傳統(tǒng)百葉窗翅片結(jié)構(gòu)，翼型百葉窗翅片既有較高的散熱能力也有較低的空氣側(cè)摩擦阻力。當(dāng)空氣流速為12m·s-1時(shí)，JF因子高出約13.58%。

5 ?結(jié)論

通過(guò)對(duì)某汽車管帶式散熱器單元體進(jìn)行CFD仿真分析，利用仿真結(jié)果和試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析;對(duì)采用NACA0018翼型為幾何特征的百葉窗翅片進(jìn)行數(shù)值計(jì)算，對(duì)比兩者JF因子，得到以下結(jié)論：

①經(jīng)過(guò)對(duì)百葉窗翅片單元體的數(shù)值仿真，仿真與試驗(yàn)結(jié)果基本吻合，證明該方法可靠。

②NACA0018翼型百葉窗翅片在風(fēng)速為2～12m·s-1的區(qū)間內(nèi)表面換熱系數(shù)均高于傳統(tǒng)翅片，壓力損失均低于傳統(tǒng)翅片。

③NACA0018翼型百葉窗翅片與傳統(tǒng)翅片相比具有更好的阻力性能，在空氣流速為12m·s-1時(shí)，翼型百葉窗翅片的JF因子高出約13.58%。

④翼型百葉窗翅片較傳統(tǒng)翅片具有更低的流動(dòng)阻力，更高的散熱能力。為翅片的進(jìn)一步改進(jìn)提供參考。

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