劉澤硯

摘要：為了掌握季節(jié)變化對車用散熱器性能的影響，針對管帶式散熱器，建立了散熱器換熱管的二維穩(wěn)態(tài)流動(dòng)傳熱模型，研究了環(huán)境溫度變化對散熱器性能的影響規(guī)律。研究結(jié)果表明：隨著環(huán)境溫度下降，散熱器的散熱性能提升，換熱管與空氣交界處上側(cè)換熱量呈上升趨勢，入口空氣溫度變化對換熱管換熱量有明顯影響。

關(guān)鍵詞：散熱器;環(huán)境溫度;換熱管

中圖分類號(hào)：U464.138.2? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號(hào)：1674-957X（2020）22-0040-02

0? 引言

汽車已經(jīng)是人類日常生活不可或缺的重要組成部分。1886年1月26日德國人卡爾·奔馳得到了他關(guān)于汽車的專利，這也標(biāo)志著第一輛汽車的誕生。汽車的出現(xiàn)是人類史上交通工具領(lǐng)域的一個(gè)巨大飛躍，是人類每天可活動(dòng)的范圍拓展了幾十倍至上百倍，使得人類生活有了巨大的改變。中國汽車產(chǎn)銷量連續(xù)八年保持全球首位，自2016年至今，每年的產(chǎn)銷量都可達(dá)2800萬輛以上。同時(shí)，近年來在國家大力發(fā)展新能源汽車的戰(zhàn)略支持下，中國的新能源汽車飛速發(fā)展，2019年新能源汽車產(chǎn)銷分別完成124.2萬輛（純電動(dòng)汽車占82%、插電式混合動(dòng)力汽車占17.8%和燃料電池汽車占0.2%）和120.6萬輛（純電動(dòng)汽車占80.6%、插電式混合動(dòng)力汽車占19.1%和燃料電池汽車占0.3%），位居世界前列。[1-2]

中國汽車的快速發(fā)展，也拉動(dòng)了大量汽車核心組件行業(yè)的同時(shí)高速發(fā)展。散熱器作為汽車熱管理系統(tǒng)的核心組成部分，承擔(dān)了整個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)或電池包的散熱工作，將汽車運(yùn)行過程中無法轉(zhuǎn)化為機(jī)械能而產(chǎn)生的熱能及時(shí)釋放，使發(fā)動(dòng)機(jī)或電池包維持在一個(gè)適宜的工作溫度范圍。所以，高性能的散熱器在汽車制造業(yè)和汽車服務(wù)業(yè)中均具有巨大的市場需求。[3]然而，中國屬季風(fēng)性氣候區(qū)，夏冬氣溫分布差異明顯，氣溫分布特點(diǎn)為：南熱北冷，冬季氣溫普遍偏低。主要原因在于：冬季太陽直射南半球，北半球獲得太陽能量少，緯度跨度大，冬季盛行冬季風(fēng)。夏季全國大部分地區(qū)普遍高溫（除青藏高原外），南北溫差不大。主要原因在于：夏季太陽直射北半球，北半球獲得熱量多;夏季盛行夏季風(fēng)，我國大部分地區(qū)氣溫上升到最高值;夏季太陽高度大，緯度越高，白晝時(shí)間越長，減緩了南北接受太陽光熱的差異?？梢姡募咀兓瘯?huì)帶來明顯的環(huán)境溫度變化，這使散熱器空氣側(cè)溫度出現(xiàn)較大的變化，從而會(huì)影響到散熱器的工作。因此，掌握季節(jié)變化對散熱器性能的影響規(guī)律，有利于散熱器的結(jié)構(gòu)改進(jìn)。[4-5]

在車用散熱器性能研究方面，Park[6]建立了發(fā)動(dòng)機(jī)熱平衡模型，結(jié)果表明，整個(gè)系統(tǒng)的燃油效率、冷卻損失和摩擦損失均有所改善。Mao[7]建立了多孔翅片管結(jié)構(gòu)交叉流凝汽器模型，結(jié)果表明，氣流分布不均勻也會(huì)降低換熱率，而下降趨勢隨著制冷劑流量的增大而增大。Vaisi[8]研究了百葉窗式翅片上的空氣側(cè)傳熱和壓降特性，結(jié)果表明，對稱鰭片比不對稱鰭片具有更好的性能，對稱的熱交換器重量更輕。田杰安[9]建立了散熱器的熱流固耦合計(jì)算模型，著重分析了在散熱器厚度方向不同區(qū)域的散熱性能。吳娟[10]對車載散熱器進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化分析，實(shí)驗(yàn)表明，兩款不同芯厚的散熱器散熱性能相近，能夠滿足冷卻系統(tǒng)的水溫要求，從散熱器市場成本方面出考慮優(yōu)化效果，為以后的冷卻系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)提供了新的研究思路。孫紅運(yùn)[11]以散熱器小號(hào)材料最少為優(yōu)化目標(biāo)對管帶式散熱器參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，有效的降低了生產(chǎn)成本，對散熱器設(shè)計(jì)提供了理論依據(jù)。漆杰[12]對散熱器材料的輕量化應(yīng)用以及對其結(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)了散熱器總成降重達(dá)22%，對散熱器輕量化具有重大指導(dǎo)意義。

綜上所述，前人對散熱器性能開展了一定的研究探索，但是針對季節(jié)變化對散熱器性能的影響尚未系統(tǒng)認(rèn)識(shí)。所以本文以季節(jié)變化為主要影響因素，分析環(huán)境溫度變化對散熱器工作性能的影響規(guī)律，以期為散熱器設(shè)計(jì)提供一定基礎(chǔ)理論支持。

1? 計(jì)算模型與研究范圍

由于散熱器的換熱管為對稱結(jié)構(gòu)，因此本文以換熱管截面的長軸為對稱軸，構(gòu)建了1/2散熱器單換熱管流動(dòng)傳熱模型，模型結(jié)構(gòu)如圖1所示。換熱管端頭為橢圓形，長徑比為2，換熱管壁厚0.5mm，入口風(fēng)速為5m/s?；谌A南地區(qū)四季溫度變化情況，本文選取環(huán)境溫度的變化范圍為15-35℃（288-308K）。

2? 結(jié)果與分析

圖2為不同環(huán)境溫度對散熱器換熱性能的影響，由圖2（a）可知：當(dāng)環(huán)境溫度升高時(shí)，迎風(fēng)側(cè)前段的變化相對其他位置比較小，在換熱管與空氣交界處上側(cè)溫度變化最為明顯。主要原因：一是因?yàn)榍岸蔚臏囟茸兓芸諝馑俣群徒Y(jié)構(gòu)的影響大;二是因?yàn)橹泻蠖蔚臏囟茸兓饕艿綒饬髁鲃?dòng)的影響比較小，對空氣的物理屬性的要求比較高，所以入口空氣溫度越低，換熱管交界處溫度越低。由圖2（b）可知：換熱管表面壓力不受到進(jìn)氣溫度的影響，而進(jìn)口空氣流速不變，故改變進(jìn)氣溫度時(shí)表面壓力不變。

圖3為不同環(huán)境溫度對換熱管表面換熱量的影響，由圖可知：隨著X的增大，換熱量逐漸出現(xiàn)變化，在換熱管與空氣交界處上側(cè)的變化最為明顯，在背風(fēng)側(cè)時(shí)換熱量變化開始變小。原因：迎風(fēng)側(cè)和背風(fēng)側(cè)受到空氣流動(dòng)速度的影響較大，這兩處的空氣流動(dòng)變化比較明顯，換熱量隨溫度變化較小;中間位置空氣流動(dòng)狀態(tài)穩(wěn)定，換熱量受冷卻空氣溫度影響較大，故中間上側(cè)的換熱量變化明顯。

結(jié)合以上分析以及圖線隨進(jìn)口溫度改變的變化情況，得出以下結(jié)論：

①環(huán)境溫度下降可以提高空氣與換熱管表面的換熱量，輕微提高表面空氣流動(dòng)速度;

②換熱管與空氣的交界處上側(cè)的換熱受環(huán)境溫度影響較強(qiáng)，隨著環(huán)境溫度下降，換熱管與空氣交界處上側(cè)換熱量明顯上升。

3? 結(jié)論

本文構(gòu)建了1/2散熱器換熱管流動(dòng)傳熱模型，研究了環(huán)境溫度變化對散熱器換熱性能的影響規(guī)律，主要結(jié)論為：環(huán)境溫度下降可以提高空氣與換熱管表面的換熱量，散熱器性能下降;換熱管與空氣的交界處上側(cè)的換熱受環(huán)境溫度影響較強(qiáng)，隨著環(huán)境溫度下降，換熱管與空氣交界處上側(cè)換熱量明顯上升。

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