換熱管結構參數對車用散熱器性能的影響

孔喜磊

摘要：為提高汽車散熱器的性能，建立了散熱器的二維換熱穩態模型，研究了換熱管迎風側結構參數（長短軸比）變化對散熱器換熱性能的影響規律。研究結果表明：隨著換熱管迎風側長短軸比的增加，換熱管表面換熱能力略有下降，但換熱面積明顯增加，使散熱器總換熱量增加，散熱器的換熱性能提升。當長短軸比由1.0增加到2.0時，表面平均換熱能力由5664.16W/m2降低到5623.57W/m2。

關鍵詞：散熱器;換熱管結構參數;長短軸比;換熱性能

0 ?引言

隨著汽車產業的多樣化發展，汽車發動機功率越來越大，發動機熱負荷逐漸增大。在發動機工作期間，最高的燃燒溫度可達到2500℃以上，在發動機怠速或者中等轉速時，燃燒室的平均溫度也可達1000℃以上。散熱器作為汽車冷卻系統的核心組成部分，承擔了整個發動機的散熱工作，將發動機無法轉化為機械能而產生的熱能及時釋放，使發動機維持在一個相對穩定的適當的工作溫度范圍，因此散熱器的優化必將推動冷卻系統的整體優化升級，為整車性能的提高提供了強力支持，提高汽車在復雜工況下工作的能力[1]。

在散熱器結構參數優化方面，王艷梅[2]模擬了裝配式散熱器散熱管和散熱片的傳熱過程，得到了散熱效果最優的結構參數，并進行風洞實驗驗證了數值模擬結果的正確性。MátéPetrik[3]研究了跨流式氣液翅片換熱器性能的參數，結果表明，影響散熱器性能的主要參數是散熱器寬度和翅片參數。鄭明強[4]對散熱器百葉窗其開窗角度、間距及厚度等參數進行了組合模擬仿真優化，使其換熱系數、進出口壓降、綜合換熱性能均得到有效改善，這為中冷器的優化提供了設計參考。Moon M A[5]計算了帶有針翅的矩形通道內的換熱和摩擦損失，并與圓形針翅的換熱和摩擦損失進行了比較，結果表明，扇形針翅與圓形針翅和參考針翅相比，扇形針翅在傳熱和壓降方面都有所改進。潘岸[6]建立了管帶式散熱器的局部翅片和整體散熱器三維模型，對散熱器翅片結構進行優化，結果表明，翅片結構優化后，空氣側壓降基本不變，散熱量提升了11.6%。施渺[7]以平直翅片熱管散熱器為研究對象，研究了翅片厚度、間距、高度、寬度和熱管直徑等參數對翅片流動換熱性能的影響，獲得了散熱器的結構優化方案，分析了主要影響因素，對工程應用具有一定的指導意義。

綜上所述，在散熱器結構優化方面大部分學者重點研究了散熱器百葉窗厚度、間距、高度、寬度和角度等參數對散熱系統性能的影響，而對單一換熱管結構參數對散熱性能的影響缺乏系統性研究。因此，本文以單一換熱管為研究對象，分析迎風側長短軸比變化對散熱器換熱性能的影響規律，為散熱器結構改進提供理論支撐。

1 ?模型的建立

換熱管采用鋁材，壁厚為0.5mm，換熱管之間的間隙為3mm，管內流體的二維寬度是1.5mm，為使外側介質與鋁結構體有充分的熱交換，冷卻流體迎風側空間取5mm，冷卻流體后側空間取10mm[8]。簡化的換熱管是軸對稱結構，所以構建物理模型時建立了換熱管二分之一模型，基本結構如圖1。單一換熱管的冷卻過程可表示為流動-傳熱過程，模型的數學描寫方程請參見文獻[4]和[8]。

計算模型的初始條件和邊界條件設定如表1所示。本文選取換熱管迎風側核心結構參數長短軸比為變化參數（如圖2），研究范圍選取1.0、1.2、1.4、1.6、1.8和2.0。

2 ?結果與分析

圖3為長短軸比變化對換熱管表面壓力的影響（取X表示換熱管不同位置到入口處的距離，單位：m，下同），由圖3可知：在空氣流經長徑的頂端X=0.005時，受換熱管正面阻擋，使得其壓力驟降;在空氣流到X=0.01時，綜合影響最小，迎風側結構形狀對空氣流動的作用在此處基本消失;隨著空氣在表面的流動，空氣受換熱管的加熱作用影響，壓力開始呈現線性變化并且最后到達峰值;在到達換熱管后部，在空氣流通區域突然變大和換熱管對空氣加熱的相互作用下，表面壓力開始上升。隨著換熱管長短軸比的增大，換熱管與空氣的交界位置的壓力都在大幅度的升高，迎風側結構的變化使流入的氣流對換熱管的沖刷強度下降，交界處不同位置的流動變化導致壓力的變化。

圖4為長短軸比變化對換熱管表面溫度的影響，換熱管內壁面溫度為353K，由圖4可知：在空氣入口處的溫度變化最大，空氣沖擊迎風側，氣流強度高，故氣流對換熱管外的冷卻效果最好的;隨著換熱管結構的變化，到達直線結構之前，氣流強度變化，散熱器管的冷卻能力驟降，使得交界處上側溫度升高;在水平邊界上，散熱效果主要受流動空氣的溫度影響，但是空氣在流動過程中是在持續和換熱管進行熱量交換，引起溫度不斷升高，因此對換熱管的冷卻效果變差，交界處溫度緩慢升高;在換熱管背風側時，已經被加熱溫度變高的空氣、流通范圍變大和后側空氣的回流三個因素導致表面溫度出現波動。

圖5為長短軸比變化對換熱管表面換熱量的影響，由圖5可知：在入口處受到空氣溫度和氣流流動路徑變化的綜合影響，散熱效果最好，此時的換熱量最多;在流經換熱管水平表面時，換熱管上側空氣流動趨于穩定，換熱量的影響主要受到空氣溫度ΔT的影響，散熱量的變化呈現出一條穩定的曲線;在換熱管背風側形狀的變化使高速流動的空氣與換熱管尾部未能進行充分的接觸，換熱管表面換熱量急劇減少。隨著長短軸比的增大，換熱管入口空氣受到的結構阻力減小，迎風側的換熱量明顯降低;在換熱管中后側，換熱管長徑與短徑比增加，換熱管表面溫度和交界處的溫差變大，換熱量開始增加。

圖6為長短軸比變化對換熱管表面換熱能力的影響。由圖6可知：隨著長短軸比增加，換熱管表面平均換熱能力略有下降。這是因為隨著長短軸比的增加，換熱管迎風面結構驟變程度下降，對空氣流線的改變程度下降，從而減少了氣體分子與換熱壁面之間碰撞的幾率，從而使換熱強度略有下降。但是由于長短軸比的增加使換熱管迎風面換熱面積明顯增加，從而使散熱器的整體換熱量增加，散熱器性能提升。

3 ?結論

隨著換熱管迎風側長短軸比的增加，在交界處總體有利于散熱的進行，空氣對換熱管迎風側的沖刷是影響迎風側換熱的主要因素，長短軸比的改變引起迎風側結構變化，迎風側結構改變直接影響換熱效果。隨著換熱管迎風側長短軸比的增加，換熱管表面換熱能力略有下降，但換熱面積明顯增加，使散熱器總換熱量增加，散熱器的換熱性能提升。當長短軸比由1.0增加到2.0時，表面平均換熱能力由5664.16W/m2降低到5623.57W/m2。

參考文獻：

[1]Mao S， Cheng C， Li X， et al. Thermal/structural analysis of radiators for heavy-duty trucks[J]. Applied Thermal Engineering， 2010， 30（11-12）： 1438-1446.

[2]王艷梅.車用裝配式散熱器散熱管和散熱片的結構優化[D].貴州大學，2016.

[3]MátéPetrik， GáborSzepesi， KárolyJármai. Theoretical and Parametric Investigation of an Automobile Radiator[J]. 2017.

[4]鄭明強.基于CFD技術的汽車中冷器性能分析及結構優化[D].貴州大學，2016.

[5]Moon M A， Kim K Y . Analysis and optimization of fan-shaped pin-fin in a rectangular cooling channel[J]. International Journal of Heat and Mass Transfer， 2014， 72（may）： 148-162.

[6]潘岸，劉向農，鄭志華，李偉.車用散熱器百葉窗翅片結構仿真優化[J].低溫與超導，2020，48（03）：94-98.

[7]施渺，杜江偉，余小玲，廖梓璜，譚又博.平直翅片熱管散熱器的正交數值模擬優化[J].電子機械工程，2020，36（02）：14-18.

[8]潘偉東，巫江虹.基于Fluent軟件的汽車散熱器雙側三維數值模擬[J].制冷，2007（01）：78-82.