基于AMESim散熱器串并聯布置對性能影響分析

李 揚，李 鵬，杜少杰

（黃河交通學院汽車工程學院，河南 焦作 454950）

1 引言

發動機廢氣渦輪增加技術提升了發動機的動力性，同時使得進氣溫度上升，對進氣量有一定的影響，因此，在一些大型車輛上一般配置有負載設備冷卻系統，采用中低溫散熱器進行冷卻散熱。而中低溫散熱器與高溫散熱器通常組合在一起形成散熱器模塊，配置在車輛前端，通過冷卻風扇強制散熱，實現發動機的正常工作[1]。而兩種散熱器的布置形式，對散熱效率有一定的影響，因此，對此進行研究具有一定的應用價值。

國內外學者對發動機散熱進行一定研究：文獻[2]采用風洞試驗的方法，對散熱器的質量風速與冷卻效果之間關系進行研究；文獻[3]采用一維軟件建立發動機熱管理系統模型，分析散熱器和冷卻風扇之間的匹配關系。

文獻[4]采用三維軟件建立散熱器模型，分析結果參數對性能的影響規律。

文獻[5]采用數值分析的方法，對散熱系統的匹配性進行分析；文獻[6]采用試驗方法，分析散熱器布置對冷卻效果的影響。

針對散熱器、中冷器、冷卻風扇、冷卻水泵等進行建模，基于AMESim搭建發動機熱管理系統模型，結合試驗參數對換熱系數進行擬合，對系統的冷卻效果進行分析；根據高溫散熱器和中低溫散熱器的不同布置形式，獲取發動機進出口冷卻液溫度，對比兩種布置形式的優缺點。

2 發動機熱管理系統模型

2.1 發動機散熱系統

發動機散熱系統，如圖1所示。系統主要包括散熱器、中冷器、冷卻風散、節溫器等主要單元，各單元之間既有獨立的循環系統，而相互之間又互相干涉，是一個復雜的熱系統[7]。

圖1 發動機散熱系統Fig.1 Engine Cooling System

圖2 特性曲線Fig.2 Characteristic Curve

2.2 發動機熱管理系統模型

2.2.1 散熱器參數

散熱器和冷卻風扇是重要的熱交換單元，風扇帶來的冷卻風強制與散熱器進行熱交換，實現熱量的轉移。

二者均可通過風洞試驗獲取性能[8]，可寫作如下式所示：

2.2.2 換熱系數設置

假設整個換熱過程無熱量損失，發動機的散熱全部通過散熱器散發[9]，采用換熱系數半經驗公式：

式中：km、Ma、Mf、aair、bair—待定系數，各系數可通過逐次逼近的方式進行求解。散熱器的換熱系數宏程序，如圖3所示。

圖3 換熱系數宏程序Fig.3 Heat Transfer Coefficient Macro Program

2.2.3 水泵參數設定

為了準確全面的表征離心泵的特性，需在一定轉速下，將實驗測得各項參數關系繪成一條曲線，即離心水泵的特性曲線[10]，如圖4（a）所示。用ASCII寫入AMESim的曲線，如圖4（b）所示。

圖4 水泵特性曲線Fig.4 Pump Characteristic Curve

3 發動機熱管理模型

3.1 仿真模型

在AMESim 中建立發動機熱管理模型[11]，結構圖，如圖5所示。

圖5 冷卻系統模型Fig.5 Cooling System Model

主要零部件的參數已在設計部分列出，其余整車結構和性能數據，如表1所示。

表1主要參數表Tab.1 Main Parameter List

3.2 計算結果分析

發動機達到額定轉速1900rpm時，散熱器內外流體分布，如圖6、圖7所示。

圖6 散熱器外流體熱分布Fig.6 Heat Distribution Outside the Radiator

從圖7（a）可以看出，經過換熱呈現出的狀態與之前一直，左低右高。從圖7（b）～圖7（d）可以看出，散熱器液體流入口的溫度最低，77.96℃，與入口位置越遠溫度越高，最高溫度為92.03℃。

圖7 散熱器內流體熱分布Fig.7 Heat Distribution in the Heat Sink

從圖6（a）可以看出，經換熱后，溫度呈現出左低右高。從圖6（b）～圖6（d）可以看出，最右側溫度高達53.09℃，中間區域為25.01℃，而最左側區域為21.16℃。

4 散熱器串并聯布置方式對比

4.1 散熱器串聯與并聯安裝

中冷器可以與散熱器串聯（前后布置），或并聯布置（左右布置）[12-13]，如圖8所示。

圖8 布置形式Fig.8 Layout

串聯布置可以增大散熱器的正面面積，提高散熱能力；并聯布置最大的優點是可以減小風阻，降低散熱器冷卻空氣的進口溫度。

在原模型的基礎上，將散熱器和中冷器的正面面積減小，使中冷器和散熱器并聯，如圖9所示。

圖9 不同布置形式模型Fig.9 Different Layout Models

4.2 分析結果對比

環境溫度和液體的初始溫度均設置為20℃。減小正面面積的同時增大散熱面積減小流體體積，采用圖9并聯布置考察比較兩種冷卻系統。經600s仿真結束后，內外流體具體的溫度變化，如圖10所示。

圖10 流體溫度變化曲線Fig.10 Fluid Temperature Curve

從圖10（a）冷卻液的溫度變化曲線可以看出，發動機出水溫度93.38℃，經過一系列的熱交換，最后回到進水口的溫度為87.59℃。發動機進出口溫差5.79℃，滿足發動機工作要求。散熱器進出口溫差7.81℃，滿足散熱要求。從圖10（b）可知，冷卻空氣與中冷和高溫散熱器進行熱交換后的溫度分別為28.52℃和70.68℃。兩種形式熱分布對比，如圖11所示。

圖11 兩種形式熱分布對比Fig.11 Comparison of Heat Distribution Between the Two Systems

從圖11可以看到兩種冷卻系統內流體和外流體的熱分布情況，經監測，散熱器冷卻空氣進氣側在并聯系統中為環境溫度，比串聯系統溫度降低4.55℃；散熱器內冷卻液溫度自進水口至出水口遞減，最高溫度93.38℃，中間區域90.78℃，最低溫度87.59℃。具體仿真數據對比，如表2所示。

從表2及圖11可以看出，相對于串聯的布置形式，將散熱器和中冷器正面面積減半并聯布置后，發動機出口溫升提高1.41℃，回水溫差提高2.22℃，對發動機的性能影響較小，但整車結構變得更加緊湊，空間得到了更加充分的利用。

表2 兩種布置形式結果對比Tab.2 Comparison of the Result of the Two Layouts

5 結論

基于AMESim 發動機熱管理模型，對串并聯散熱器性能進行對比分析，結果可知：

（1）散熱器冷卻空氣進氣側在并聯系統中為環境溫度，比串聯系統溫度降低4.55℃；散熱器內冷卻液溫度自進水口至出水口遞減，最高溫度93.38℃，中間區域90.78℃，最低溫度87.59℃；

（2）相對于串聯的布置形式，將散熱器和中冷器正面面積減半并聯布置后，發動機出口溫升提高1.41℃，回水溫差提高2.22℃，對發動機的性能影響較小，但整車結構變得更加緊湊，空間得到了更加充分的利用；

（3）相較于串聯式布置，并聯式布置形式可以使得中冷散熱器和高溫散熱器都能更充分的散熱，散熱效果更優，但管道布置比并聯式略復雜。