汽車散熱器的結(jié)構(gòu)參數(shù)對冷卻性能影響分析

詹永富，張 霞，王劍波

（1.四川交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院汽車工程系，四川 成都 611130；2.成都師范學(xué)院物理與工程技術(shù)學(xué)院，四川 成都 611130）

1 引言

散熱帶面積是影響汽車散熱器溫度場分布的重要結(jié)構(gòu)參數(shù)，熱量通過散熱帶表面與冷卻風(fēng)進行熱交換，因此直接影響到散熱效率和效果。翅片式散熱器具有結(jié)構(gòu)簡單和散熱良好的特性，被廣泛應(yīng)用于各類車輛中，是散熱器的重要類型。通過翅片表面的熱交換帶走熱量，為增加散熱效率，一般配備冷卻風(fēng)扇。

翅片的寬度、厚度及長度等均是影響散熱效率的重要參數(shù)，在設(shè)計過程中需要進行重點設(shè)計[1]。同時，冷卻風(fēng)扇的送風(fēng)形式，也直接影響到散熱器翅片的散熱效率。因此，在設(shè)計中需要綜合考慮各方面的影響因素。結(jié)合送風(fēng)形式，對翅片參數(shù)的影響開展研究，具有重要的應(yīng)用價值。

國內(nèi)外學(xué)者開展了一定研究：文獻[2]采用實測的方法，對散熱器翅片采用不同層數(shù)的排列影響進行分析，結(jié)果可知排數(shù)增加，散熱效率先增后減，隨著冷卻風(fēng)量的差異，存在最佳值；文獻[3]采用模型和試驗相結(jié)合的方式，通過驗證后的模型，開展不同散熱器串并布置對散熱效果影響研究。結(jié)果發(fā)現(xiàn)串聯(lián)形式對常用車輛效果更好；文獻[4]采用發(fā)動機AMESIM 模型和Star-CD 模型相結(jié)合的方法，對散熱器、冷卻風(fēng)散的匹配性進行分析，獲取最佳的參數(shù)設(shè)計和布置形式；文獻[5]結(jié)合汽車發(fā)動機隊散熱量的需求，采用數(shù)值計算的方法對散熱器的主要參數(shù)和結(jié)構(gòu)進行設(shè)計，并采用試驗臺進行驗證。

根據(jù)翅片式散熱器的散熱帶面積的數(shù)學(xué)模型，獲取影響冷卻性能的主要結(jié)構(gòu)參數(shù)；采用CFD建模分析方法，建立8排3列翅片式散熱器的流場分析模型；分別選用吹風(fēng)式和吸風(fēng)式兩種模式，對散熱器流場分布進行分析；分析不同翅片的間距、厚度及寬度等對散熱器表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)的影響，獲取速度、溫度等的變化，獲取參數(shù)影響的分布規(guī)律。

2 散熱器結(jié)構(gòu)參數(shù)

汽車用散熱器的冷卻管外有散熱片或散熱帶增加傳熱面積，常用的散熱帶有管片式和管帶式兩種[6]，常用散熱器結(jié)構(gòu)如圖1所示。圖1左側(cè)所示結(jié)構(gòu)耐高壓，但結(jié)構(gòu)復(fù)雜，造假高；圖1右側(cè)所示結(jié)構(gòu)的工藝簡單，冷卻效果好，也常常被稱為翅片式結(jié)構(gòu)。散熱帶的結(jié)構(gòu)圖，如圖2所示。

圖1 散熱器結(jié)構(gòu)Fig.1 Heat Sink Structure

圖2 散熱帶示意圖Fig.2 Schematic Diagram of Corrugated Heat Sink

根據(jù)冷卻分析，則圖2中所示結(jié)構(gòu)的帶散熱面積寫作：

從結(jié)果圖和數(shù)學(xué)模型可知，散熱波紋的峰高、整體厚度及管帶厚度等是主要影響因素。

3 散熱器流場分析

3.1 模型建立

所研究的散熱器為銅芯鋁翅結(jié)構(gòu)，8排3列布局，散熱器的整體模型和局部模型，如圖3（a）所示。基于CFD模型，在GAMBIT里對散熱器三維模型進行網(wǎng)格劃分[7]，網(wǎng)格劃分，如圖3（b）所示。

圖3 散熱器模型Fig.3 Radiator Model

3.2 影響分析

實際應(yīng)用中，根據(jù)冷卻風(fēng)扇的布置形式[9]，可以分為吹風(fēng)式和吸風(fēng)式，選取這兩種工況進行分析；工況一為入口吹風(fēng)模式，工況二為出口吸風(fēng)模式，風(fēng)速均為16m/s。

3.2.1 工況一

分別選取橫截翅片間隙的上下兩處出處不同位置，對其速度矢量分布場特征云圖分布進行對比分析，位置y=0.00182m，如圖4（a）所示；y=0.000751m，如圖4（b）所示。不同表面的速度矢量分布，如圖4所示。

圖4 不同位置速度矢量Fig.4 Cross-Sectional Velocity Vector Illustration through Fin Gap

圖中可以看出，入口吹風(fēng)情況下，在豎直方向上有翅片的區(qū)域內(nèi)，流體的流速增長將對較慢。經(jīng)歷三次不斷加速后，流體在流出第三組管束區(qū)域前達到整個流場的最大值。流體在經(jīng)過后三組管束區(qū)域后速度波動較小。

散熱器模型24個翅片間隙的切片截面與管數(shù)對稱面交線處的速度分布圖，如圖5所示。圖中可以看出，Z軸方向，前三組翅片流速不斷增加，之后達到平衡，并且達到了峰值狀態(tài)。壁面從上到下流速逐漸降低，主要由于流體之上而下進行換熱。從分布圖可以看出，在垂直方向是，流速是均勻分布的。綜上分析看出，流體在流過每排散熱器片的時候，在翅片的豎直范圍內(nèi)流動較為穩(wěn)定，以層流狀態(tài)流動為主；而在翅片的水平間隙內(nèi)流動較為活躍，無論是翅片的切片面上，還是翅片的間隙切片上，流體的流速都有梯次性的變化特征。

圖5 水平向速度分布Fig.5 Velocity Distribution of Horizontal

3.2.2 工況二

在工況二的條件下，為了便于與工況一對比，在此依然選取與工況一相同的幾處橫截翅片以及橫截翅片間隙的位置，進行對比分析。位置Z=0.01861m，如圖6（a）所示；Z=0.00121m，如圖6（b）所示。此工況下，不同表面通過翅片斷面速度分布圖，如圖6所示。

從圖6中可以看出，隨著流體X軸方向繼續(xù)流動，冷卻液流速逐漸增加，直到第四組達到最大。與前述結(jié)果類似，壁面從上到下速度逐漸降低，垂直方向，速度分布是均勻的。

分析完翅片界面的速度場分布后再次分析翅片間隙界面的速度矢量分布情況。分別選取橫截翅片間隙的上下兩處出處不同位置，對其速度矢量分布場特征云圖進行對比分析，得到的分析結(jié)果，如圖7所示。

圖7 中所示為，位置Z=0.00186m（圖7a）處和Z=0.000751m（圖7b）處的結(jié)果。從圖中可以看出，當(dāng)設(shè)定系統(tǒng)入口的速度為16m/s時，在經(jīng)歷三次不斷加速后，流體在流出第三組管束區(qū)域前達到整個流場的最大值。流體在經(jīng)過后三組管束區(qū)域后速度波動較小。尤其是在豎直方向上有翅片的流體，在每次經(jīng)過管束區(qū)域后略有擾動現(xiàn)象，在豎直方向上有翅片區(qū)域內(nèi)卻基本保持勻速，流動狀態(tài)呈現(xiàn)層流分布。在翅片間隙部分的流體的流速一直在增減狀態(tài)反復(fù)，流動狀態(tài)較為活躍。

圖7 不同位置的速度矢量圖Fig.7 Speed Vector Diagram at Different Positions

截取X=0.18m處（空氣剛剛進入翅片間隙處）的速度場和溫度場，如圖8所示。

圖8 X=0.18m 處的場分布Fig.8 Field Distribution at X=0.18m

圖中可以看出，在此截面內(nèi)，隨著溫度場變化比較弱，空氣速度在各個翅片間較為均勻，翅片間隙內(nèi)的空氣流速與翅片外延的空氣流速接近，沒有明顯變化。

綜上可以看出，流體在流過每排散熱器片的時候，在翅片的豎直范圍內(nèi)流動較為穩(wěn)定，以層流狀態(tài)流動為主；而在翅片的水平間隙內(nèi)流動較為活躍，無論是翅片的切片面上，還是翅片的間隙切片上，流體的流速都有梯次性的變化特征。獲取翅片水平和豎直切面交點分布，如圖9所示。從圖中可以看出，無論是否通過翅片，管束對稱面上除靠近壁面處主體區(qū)域的速度場在垂直速度方向都是均勻的。

圖9 截面交點速度分布Fig.9 Velocity Distribution of Cross-Section Intersection

對比多排散熱器工況一和工況二的流場的速度分布狀況情況，空氣流經(jīng)第一，二排管束時，速度逐漸增大，但從流經(jīng)第三排及之后的管束速度場波動開始減小，在45m/s到50m/s之間波動，在進入每個管束時速度最小，在每個管束對稱面時速度最大，如圖10所示。工況一和工況二主流區(qū)域速度場基本相同，只是工況一入口段為16m/s，出口段降為16m/s；工況二入口段為20m/s，出口段降為16m/s。

圖10 散熱器內(nèi)冷卻液速度分布Fig.10 Coolant speed Distribution in the Radiator

綜合分析以上各個工況可知，不考慮環(huán)境因素影響時，兩種工況基本無太大差異，但考慮運行中的風(fēng)速時，吸風(fēng)式風(fēng)扇產(chǎn)生的風(fēng)與迎面吹風(fēng)風(fēng)向一致，因此更有利于自然進風(fēng)的利用。另外發(fā)動機運轉(zhuǎn)時會使發(fā)動機一側(cè)空氣溫度升高外壁會發(fā)熱，吸風(fēng)式風(fēng)扇的進風(fēng)溫度會小于吹風(fēng)式風(fēng)扇，所以更適于散熱器散熱，同時也有利于發(fā)動機外壁的散熱。

4 散熱器試驗臺測試分析

結(jié)合發(fā)動機散熱系統(tǒng)原理圖，如圖11所示。

圖11 散熱器測試平臺Fig.11 Radiator Test Platform

搭建散熱器熱管理系統(tǒng)試驗測試平臺，主要包括發(fā)動機、散熱器及測功機等。測試過程中，在各管路布置溫度傳感器，采用LMS SCADAS多通道測試系統(tǒng)對各個測點溫度進行測試，采用手持測風(fēng)器對風(fēng)速進行測試。

試驗測試中所采用的散熱器，其翅片為可拆卸式，可以根據(jù)試驗需要進行重新排布，方案一為初定方案，方案二為調(diào)整方案，保證翅片間距不變，從8排3列，調(diào)整為6排4列；方案三保證翅片為8排3列排布，間距提升10%，三種方案的參數(shù)對比，如表1所示。

表1 方案參數(shù)對比Tab.1 Comparison of Program Parameters

保證整機工作在額定工況下，獲取各測點穩(wěn)定后的溫度值，數(shù)據(jù)，如表2所示。

表2 溫度變化（℃）Tab.2 Temperature Change（℃）

由測試結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)厚度增加時，散熱器的散熱能力減弱，主要是翅片表面的散熱系數(shù)降低；而增加整體的迎風(fēng)面積，即增加翅片排布的寬度，散熱器的散熱能力增強，翅片表面的散熱系數(shù)增加。各方案出入口溫差對比，無論是中冷器，還是高溫散熱器，試驗與仿真誤差控制在3%以內(nèi)。試驗測試結(jié)果與模型仿真分析變化趨勢一致，表明模型分析的可靠性與準(zhǔn)確性，為此類設(shè)計和生產(chǎn)提供重要參考。

5 結(jié)論

（1）流體在流過每排散熱器片的時候，在翅片的豎直范圍內(nèi)流動較為穩(wěn)定，以層流狀態(tài)流動為主；而在翅片的水平間隙內(nèi)流動較為活躍，無論是翅片的切片面上，還是翅片的間隙切片上，流體的流速都有梯次性的變化特征；（2）翅片的間距、厚度與表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)呈負相關(guān)，而其寬度則呈現(xiàn)正相關(guān)；設(shè)計過程中需要綜合考慮各參數(shù)的影響；出入口溫差，試驗與仿真結(jié)果誤差控制在3%以內(nèi)，試驗測試與仿真分析結(jié)果的一致性，表明模型分析的準(zhǔn)確性；（3）忽略外界因素影響，吹風(fēng)和吸風(fēng)對散熱器流場分布影響較小；考慮車速影響，吸風(fēng)更有利于散熱。