冷卻系統散熱器流阻超差分析及設計優化

靳德才，楊曉榮，楊國偉

(江鈴汽車股份有限公司，江西南昌 330000)

0 引言

冷卻系統散熱器流阻過大會影響整個水系統的水流量，從而影響整車的冷卻性能，嚴重的甚至會造成整車高溫等一系列問題[1-3]。散熱器開發過程中，遇到散熱器流阻偏高的問題，通過仿真軟件計算分析，可以快速找到流阻力偏高的原因，進而對散熱器結構進行相應的優化設計，減少了開發周期和開發成本。

文中闡述了某車型對冷卻系統散熱器開發過程中的結構設計及性能優化。內容分為4個部分：(1)散熱器流阻設計目標;(2)手工件散熱器、開模件散熱器樣件結構及單體性能流阻對比;(3)開模件散熱器相對手工件散熱器流阻偏大原因分析;(4)開模件散熱器結構設計優化。

1 散熱器流阻設計目標

散熱器流阻設計目標為：水流量30 L/min工況下流阻5.7 kPa；水流量60 L/min工況下流阻11.9 kPa；水流量90 L/min工況下流阻20.8 kPa；水流量120 L/min工況下流阻32.4 kPa。樣件流阻允許超差設計目標范圍在10%以內。環境溫度25 ℃， 流阻允許超差范圍小于10%的設計目標見表1。

表1 散熱器流阻設計目標

2 問題描述分析

基于設計目標進行了散熱器手工件和開模件的設計，設計3D數模如圖1和圖2所示。基于3D完成相應樣件制作，分別對手工件散熱器和開模件散熱器進行散熱器單體性能測試，手工件散熱器流阻測試結果見表2，開模件散熱器流阻測試結果見表3。

圖1 手工件散熱器三維圖

圖2 開模件散熱器三維圖

表2 手工件散熱器流阻測試結果(環境溫度25 ℃， ITD 60 ℃)

表3 開模件散熱器流阻測試結果(環境溫度25 ℃， ITD 60 ℃)

由表2可知，手工件散熱器流阻最大工況點在120 L/min流量工況，流阻超差目標值5.31%，在允許超差范圍10%以內，滿足設計目標。由表3可知，開模件散熱器流阻最大工況點在120 L/min流量工況，流阻超差目標值64.66%，超過了允許超差目標范圍10%，不滿足設計要求。

3 真因排查

3.1 工裝件散熱器與手工件散熱器內部流阻仿真

通過使用CFD流體仿真軟件Fluent對手工件散熱器和開模件散熱器進行流體力學仿真，仿真60 L/min流量工況內部流阻，得到仿真結果如圖3所示。發現芯體與出水室處開模件與手工件散熱器流阻相當，但進水室處開模件流阻5.28 kPa，手工件流阻3.04 kPa，開模件相對手工件流阻超差72%， 初步判定開模件散熱器與手工件散熱器進水室結構不一致導致流阻超差。

圖3 開模件散熱器與手工件散熱器60 L/min流量工況流阻仿真結果

3.2 工裝件散熱器與手工件散熱器結構差異對比

如圖4和圖5所示，手工件散熱器進水室截面積為533 mm2，進水室高度19.75 mm ，如圖6和圖7所示，工裝件散熱器進水室截面積為254 mm2，水室高度12.8 mm。對比工裝件與手工件散熱器結構差異，發現工裝件進水室截面積相對于手工件減小52%，工裝件進水室高度相對于手工件減小35%。判定開模件散熱器水阻超差原因為進水室截面積過小和進水室高度過低，整個進水室容積減小過多所致。

圖4 手工件散熱器進水室截面面積示意

圖5 手工件散熱器進水室高度示意

圖6 開模件散熱器進水室截面面積示意

圖7 開模件散熱器進水室高度示意

4 散熱器結構優化

4.1 開模件散熱器結構優化

對開模件散熱器的結構進行優化，開模件散熱器水室高度增加至21.8 mm ，開模件進水室截面積增加到528 mm2，如圖8和圖9所示。

圖8 優化后開模件散熱器進水室截面面積示意

圖9 優化后開模件散熱器進水室高度示意

4.2 優化后工裝件散熱器內部流阻仿真

使用CFD流體仿真軟件Fluent優化后開模件散熱器進行流體力學仿真，仿真60 L/min流量工況下優化后開模件散熱器內部流阻，仿真結果如圖10所示，發現進水室、芯體、出水室處流阻分別為2.69、5.84、0.94 kPa，均小于手工件散熱器流阻3個位置仿真壓降3.04、6.24、1.48 kPa。手工件散熱器樣件單體性能流阻實測滿足設計目標要求，判定優化后開模件散熱器流阻可以滿足設計目標要求。

圖10 優化后開模散熱器、開模件散熱器、手工件散熱器60 L/min流量工況流阻仿真結果對比

5 結論

(1)在冷卻系統散熱器開發過程中，開模件散熱器相對于手工件散熱器內部流阻嚴重超差，不滿足設計流阻目標要求。通過使用CFD流體力學軟件進行仿真，找到散熱器流阻超差原因：開模件散熱器在設計過程中沒有考慮到散熱器進水室截面積、進水室高度會對散熱器流阻產生較大影響，致使工裝件散熱器流阻超差。

(2)對工裝件散熱器水室結構優化，使最終優化后的散熱器仿真結果滿足設計目標要求。為后續散熱器的開發提供經驗借鑒。

(3)通過CFD流體力學仿真軟件可以快速找出問題原因，針對根本原因進行相應結構優化，減少了散熱器開發周期和開發成本，能夠起到一定的參考價值。