劉輝

摘要：為了探究環(huán)境條件變化對散熱器性能的影響，建立了板式散熱器三維流動傳熱模型，研究了進(jìn)風(fēng)口風(fēng)速和空氣溫度變化對散熱器性能的影響。結(jié)果表明：隨著進(jìn)風(fēng)口風(fēng)速增加，冷卻水的進(jìn)出口溫差增加，散熱器的換熱量增加，當(dāng)風(fēng)速由2m/s增加到8m/s時(shí)，進(jìn)出口溫差由6.664℃增加到22.624℃，換熱量由300.2W增加到1019.6W;隨著入口空氣溫度的升高，冷卻水進(jìn)出口溫差減小，換熱量減小，當(dāng)空氣溫度由-15℃增加到15℃時(shí)，進(jìn)出口溫差由57.272℃減小到38.935℃，換熱量由2583W減小到1778.8W。

關(guān)鍵詞：板式散熱器;入口風(fēng)速;入口溫度;換熱量

0 ?引言

散熱器是車輛冷卻系統(tǒng)的核心附件，它的作用是吸收發(fā)動機(jī)所產(chǎn)生的熱量并將其散發(fā)到空氣中，以保護(hù)發(fā)動機(jī)避免因過熱造成的破壞[1]，其換熱能力的強(qiáng)弱直接影響到發(fā)動機(jī)性能[2]。由于車輛的工作環(huán)境不同，對發(fā)動機(jī)的動力性、經(jīng)濟(jì)性、起動性、排放性以及冷卻傳熱等性能都會產(chǎn)生影響[3]。由于空氣的溫度、風(fēng)速、壓力等參數(shù)對散熱器影響較大，尤其在西藏等海拔高的地區(qū)，高原的車輛會經(jīng)常出現(xiàn)拋錨等情況，很大原因就是因?yàn)樯崞鞴ぷ鞑徽Ｋ耓4]。海拔每升高1000m，散熱器空氣側(cè)對流換熱系數(shù)和散熱量分別下降約9.5%和9.0%[5]。因此，對散熱器的研究將對車輛的動力性和經(jīng)濟(jì)性有很重要的意義。

目前，在車載散熱器結(jié)構(gòu)研究方面，索文超[6]通過降低散熱器空氣側(cè)流動阻力和芯部體積節(jié)約了冷卻風(fēng)扇功率和車輛動力艙空間。Quintero A E[7]對多層逆流平行板換熱器進(jìn)行了理論和數(shù)值研究，獲得了溫度場的精確解。郭健忠[8]采用CFD方法對某型汽車管帶式百葉窗散熱器進(jìn)行性能分析及翅片結(jié)構(gòu)優(yōu)化，開窗角度27°、間距2.4mm的翅片綜合性能最好。Vaisi A[9]在研究中表明，與不對稱布置的百葉窗式翅片相比，對稱布置的百葉窗式翅片的傳熱性能提高了9.3%，壓降降低了18.2%。關(guān)鳳艷[10]建立管帶式散熱器傳熱與阻力預(yù)測模型進(jìn)行了散熱器芯體結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化，減少了耗材和降低了生產(chǎn)成本。Huang Y[11]采用了多尺度熱分析方法來研究中間冷卻器，通過網(wǎng)格細(xì)化和基準(zhǔn)插值技術(shù)的應(yīng)用，分析了內(nèi)部流動和傳熱機(jī)理，并計(jì)算了壓力和溫度數(shù)據(jù)。沈勇[12]對冷卻風(fēng)道進(jìn)行優(yōu)化，使散熱系統(tǒng)流經(jīng)散熱器的冷卻空氣風(fēng)量顯著提升，進(jìn)口溫度顯著下降。葉斌[13]等人對管帶式散熱器的設(shè)計(jì)、校核、優(yōu)化和參數(shù)化以及冷卻液的性能進(jìn)行了研究。李政[14]分析了鋁塑汽車散熱器與型管汽車散熱器的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)。肖壽高[15]設(shè)計(jì)開發(fā)了一種新型的凸紋管汽車散熱器結(jié)構(gòu)總成，與光順管散熱器相比，散熱面積增加10%以上。

在散熱器冷卻液研究方面，張書義[16]模擬計(jì)算了水在散熱器內(nèi)部的流動傳熱過程，通過分析溫度場和壓力場等的變化，對散熱器進(jìn)行了優(yōu)化。王秋敏[17]在LabVIEW環(huán)境下利用PID控制方法，精確控制了散熱器性能測試過程中的水溫。SelvamC[18]對石墨烯納米流體納米流體的對流換熱系數(shù)和壓降進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究。Chaurasia P[19]以奈米流體為冷卻劑，以蒸餾水為冷卻劑，強(qiáng)制空氣通過散熱器的垂直方向，對汽車散熱器的性能進(jìn)行了研究。Soylu[20]制備了四種不同類型的納米顆粒用于納米流體，測定了其傳熱系數(shù)。楊旭[21]向基液中添加石墨烯納米顆粒形成三維石墨烯納米粒子冷卻液，較大幅度地提高了基液的傳熱量及對流傳熱系數(shù)。Zhao S Y[22]研究了流體特性變化對換熱網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化的影響，發(fā)現(xiàn)流體性質(zhì)的變化顯著影響每種流體的最佳質(zhì)量流速，而對熱導(dǎo)的最佳分配影響很小。Kaga K[23]研究了熱量從高溫制冷劑通過散熱片通過散熱片流向低溫制冷劑的影響，預(yù)測表明，通過翅片中的熱傳導(dǎo)，對于簡單的兩行兩程熱交換器，冷凝器的傳熱能力降低了3%。

綜上所述，現(xiàn)有研究重點(diǎn)關(guān)注了散熱器的結(jié)構(gòu)優(yōu)化以及對散熱器冷卻液的研究，而在空氣與散熱器對流換熱方面的研究缺乏。因此本文以風(fēng)速和溫度作為主要研究對象，系統(tǒng)認(rèn)識其對散熱器散熱的影響規(guī)律，以期為散熱器設(shè)計(jì)與優(yōu)化提供理論支撐。

1 ?模型的建立

1.1 物理模型

建立一個(gè)長500mm，寬50mm，高16.5mm的三維散熱器模型，借鑒文獻(xiàn)[24]的研究成果0.5mm壁厚的散熱器在各種風(fēng)速情況下的綜合性能都要優(yōu)于1mm壁厚的散熱器，所以設(shè)定壁厚為0.5mm，具體如圖1。

1.2 數(shù)學(xué)模型

車載散熱器的冷卻過程可表示為流動-傳熱過程，其方程為：參考文獻(xiàn)[25]。

1.3 網(wǎng)格劃分和獨(dú)立性驗(yàn)證

選用四面體網(wǎng)格對模型進(jìn)行劃分，定義水的入口和出口，如圖1（a），最上邊的水口為進(jìn)水口（Velocity-inlet），經(jīng)過循環(huán)后下方水口為出水口（outflow）;圖1（b），一側(cè)為進(jìn)風(fēng)側(cè)（Velocity-inlet），另一側(cè)為出風(fēng)側(cè)（outflow）。

在數(shù)值模擬前對5組網(wǎng)格進(jìn)行了測試計(jì)算，并以冷卻水出口溫度作為評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，具體模擬結(jié)果如表1所示。

由表1可知，后四個(gè)方案冷卻水出口溫度結(jié)果的相對變化率均小于1%，在充分考慮到計(jì)算準(zhǔn)確度及模擬時(shí)間的基礎(chǔ)上，選擇方案三為最終網(wǎng)格劃分方案。

1.4 初始條件與邊界條件

計(jì)算模型的初始條件和邊界條件設(shè)定如表2所示。

2 ?結(jié)果與分析

2.1 進(jìn)風(fēng)口風(fēng)速影響

從圖3中可以看出，當(dāng)進(jìn)風(fēng)口空氣溫度保持不變時(shí)，隨著風(fēng)速的增加，冷卻水的進(jìn)出口溫差會增大。在風(fēng)速為 2m/s時(shí)，冷卻水的進(jìn)出水口溫差為6.664℃;當(dāng)風(fēng)速變?yōu)?m/s時(shí)，冷卻水的進(jìn)出水口溫差變?yōu)?2.624℃，散熱能力提高了239.50%;當(dāng)風(fēng)速增加到14m/s時(shí)，冷卻水的進(jìn)出水口溫差為27.123℃，散熱能力又提高了19.89%，說明風(fēng)速的增加，會提高散熱器的散熱能力，這是因?yàn)楫?dāng)空氣溫度不變時(shí)，風(fēng)速的增加會使空氣對流換熱系數(shù)增加，使空氣帶走的熱量變多，導(dǎo)致冷卻水的進(jìn)出口溫差變大，進(jìn)一步對進(jìn)出水口的換熱量進(jìn)行分析。

從圖4中可以看出，當(dāng)進(jìn)風(fēng)口空氣溫度保持不變時(shí)，隨著風(fēng)速的增加，冷卻水的進(jìn)出口換熱量越來越大。在風(fēng)速為2m/s時(shí)，冷卻水的進(jìn)出水口換熱量為300.2W;當(dāng)風(fēng)速變?yōu)?m/s時(shí)，冷卻水的進(jìn)出水口換熱量變?yōu)?019.6W，散熱能力提高了239.64%;當(dāng)風(fēng)速增加到14m/s時(shí)，冷卻水的進(jìn)出水口換熱量為1223.6W，散熱能力提高了20.01%。風(fēng)速的增加會帶走散熱器更多的熱量，使散熱器內(nèi)冷卻水的熱量減小，讓散熱器的散熱性能增強(qiáng)。但是散熱器換熱量的增加幅度隨著風(fēng)速的增加而減小，當(dāng)風(fēng)速增大到一定程度時(shí)，圖2中的曲線會慢慢的近似于一條水平的直線，這是因?yàn)轱L(fēng)的比熱容決定了其本身能夠帶走能量的趨勢會趨近于穩(wěn)定，使散熱器的換熱量也趨近于穩(wěn)定。

2.2 進(jìn)風(fēng)口空氣溫度的影響

從圖5中可以看出，當(dāng)進(jìn)風(fēng)口風(fēng)速保持不變時(shí)，隨著空氣溫度的增加，冷卻水的進(jìn)出口溫差會越來越小。在空氣溫度為-15℃時(shí)，冷卻水進(jìn)出水口溫差為57.272℃;當(dāng)空氣溫度為15℃時(shí)，冷卻水進(jìn)出水口溫差為38.935℃，散熱器的散熱能力下降了32.02%;當(dāng)空氣溫度為35℃時(shí)，冷卻水進(jìn)出水口溫差為27.123℃，散熱器的散熱能力下降了30.34%，說明空氣溫度的增加，會降低散熱器的散熱能力。這是因?yàn)闇囟鹊淖兓褪莾刹糠址肿又g的動能平均化，當(dāng)空氣溫度增加時(shí)，空氣和散熱器之間的溫差就會變小，兩部分分子之間的平均動能相差越小，導(dǎo)致散熱器的散熱能力降低。進(jìn)一步對進(jìn)出水口的換熱量進(jìn)行分析。

從圖6中可以看出，當(dāng)進(jìn)風(fēng)口風(fēng)速保持不變時(shí)，隨著空氣溫度的增加，冷卻水的進(jìn)出口換熱量越來越小。在空氣溫度為-15℃時(shí)，冷卻水進(jìn)出水口換熱量為2583W;當(dāng)空氣溫度為15℃時(shí)，冷卻水進(jìn)出水口換熱量為1778.8W，散熱器的散熱能力下降了31.13%;當(dāng)空氣溫度為35℃時(shí)，冷卻水進(jìn)出水口換熱量為1223.6W，散熱器的散熱能力下降了31.21%，空氣溫度的增加會帶走散熱器更少的熱量，使散熱器內(nèi)冷卻水的熱量減小的更慢，讓散熱器的散熱性能減弱。圖5與圖4的走勢一樣，這是因?yàn)閾Q熱量與換熱面積、換熱系數(shù)和溫差有關(guān)，當(dāng)風(fēng)速一定時(shí)，換熱系數(shù)變化幅度很小，所以使空氣和散熱器之間的換熱量趨勢與冷卻水的進(jìn)出口溫差的變化趨勢一樣。

3 ?結(jié)論

針對空氣與散熱器的對流換熱，建立了板式散熱器三維流動傳熱模型，研究了風(fēng)速和空氣溫度對散熱器性能的影響。①當(dāng)進(jìn)風(fēng)口空氣溫度保持不變時(shí)，隨著風(fēng)速的增加，冷卻水的進(jìn)出口溫差和換熱量會越來越大。在風(fēng)速為2m/s時(shí)，冷卻水的進(jìn)出水口溫差為6.664℃、換熱量為300.2W;當(dāng)風(fēng)速變?yōu)?m/s時(shí)，冷卻水的進(jìn)出水口溫差變?yōu)?2.624℃、換熱量變?yōu)?019.6W，散熱能力提高了239.50%;當(dāng)風(fēng)速增加到14m/s時(shí)，冷卻水的進(jìn)出水口溫差為27.123℃、換熱量為1223.6W，散熱能力又提高了19.89%。②進(jìn)風(fēng)口風(fēng)速保持不變時(shí)，隨著空氣溫度的增加，冷卻水的進(jìn)出口溫差和換熱量會越來越小。在空氣溫度為-15℃時(shí)，冷卻水進(jìn)出水口溫差為57.272℃、換熱量為2583W;當(dāng)空氣溫度為15℃時(shí)，冷卻水進(jìn)出水口溫差為38.935℃、換熱量為1778.8W，散熱器的散熱能力下降了32.02%;當(dāng)空氣溫度為35℃時(shí)，冷卻水進(jìn)出水口溫差為27.123℃、換熱量為1223.6W，散熱器的散熱能力下降了30.34%。

參考文獻(xiàn)：

[1]孫紅運(yùn)，曹金祥.車用散熱器的發(fā)展現(xiàn)狀[J].科技經(jīng)濟(jì)導(dǎo)刊，2016（08）：80.

[2]薛成成.管帶式散熱器百葉窗翅片的熱力性能優(yōu)化[D].江蘇：江蘇大學(xué)，2013.

[3]許翔，劉瑞林，劉剛，等.大氣壓力對柴油機(jī)冷卻系統(tǒng)熱平衡影響的研究[J].汽車工程，2012，34（7）：592-595.

[4]王軍.WD615系列高原柴油機(jī)的開發(fā)[D].天津：天津大學(xué)，2003.

[5]許翔，索文超，楊定富，等.車用散熱器高原傳熱性能仿真研究[J].系統(tǒng)仿真學(xué)報(bào)，2018，30（8）：3146-3153.

[6]索文超，許翔，耿飛.基于計(jì)算流體力學(xué)的車輛發(fā)動機(jī)散熱器芯部外形優(yōu)化[J].兵工學(xué)報(bào)，2017，38（9）：1839-1844.

[7]Quintero A E， Vera M. Laminar counterflow parallel-plate heat exchangers： An exact solution including axial and transverse wall conduction effects[J]. International Journal of Heat and Mass Transfer， 2017， 104：1229-1245.

[8]郭健忠，徐敏，張光德，等.汽車散熱器的性能分析及翅片結(jié)構(gòu)優(yōu)化[J].科學(xué)技術(shù)與工程，2016，16（26）：58-64.

[9]Vaisi A， Esmaeilpour M， Taherian H. Experimental investigation of geometry effects on the performance of a compact louvered heat exchanger[J]. applied thermal engineering， 2011， 31（16）：3337-3346.

[10]關(guān)鳳艷.汽車散熱器的優(yōu)化設(shè)計(jì)及傳熱性能分析的研究[J].制造業(yè)自動化，2011，33（14）：143-145.

[11]Huang Y， Liu Z， Lu G， et al. Multi-scale thermal analysis approach for the typical heat exchanger in automotive cooling systems[J]. International Communications in Heat & Mass Transfer， 2014， 59（dec.）：75-87.

[12]沈勇，劉瑋，張永勝.裝載機(jī)散熱系統(tǒng)數(shù)值仿真與改進(jìn)[J].建筑機(jī)械，2016（7）：54-57.

[13]葉斌.基于試驗(yàn)的汽車管帶式散熱器傳熱與流阻建模及其優(yōu)化設(shè)計(jì)研究[D].安徽：合肥工業(yè)大學(xué)，2014.

[14]李政，李楊.鋁質(zhì)型管汽車散熱器[J].汽車零部件，2018，（10）：90-94.

[15]肖壽高.新型凸紋管汽車散熱器設(shè)計(jì)與開發(fā)[J].汽車實(shí)用技術(shù)，2018（21）：184-185.

[16]張書義，劉松，曹汝恒，等.基于Fluent的汽車散熱器熱耦合仿真[J].汽車實(shí)用技術(shù)，2016（6）：88-89，102.

[17]王秋敏，張紅燁，易俊.散熱器性能測試溫度控制系統(tǒng)的研究[J].汽車零部件，2017（5）：51-54.

[18]Selvam， C.， Lal， D. Mohan，Harish， Sivasankaran.Enhanced heat transfer performance of an automobile radiator with graphene based suspensions[J]. Applied thermal engineering： Design， processes， equipment， economics ，2017， 123： 50-60.

[19]Chaurasia P， Kumar A， Yadav A， et al. Heat transfer augmentation in automobile radiator using Al2O3-water based nanofluid[J]. Sn Applied Sciences， 2019， 1（3）.

[20]Soylu， Sezgi Kocak， Atmaca， Ibrahim，Asilturk， Meltem， et al.Improving heat transfer performance of an automobile radiator using Cu and Ag doped TiO2 based nanofluids[J]. Applied thermal engineering： Design， processes， equipment， economics， 2019， 157.

[21]楊旭，田宇，鄧偉.石墨烯納米冷卻液在汽車散熱器中冷卻性能的實(shí)驗(yàn)[J].裝備制造技術(shù)，2018（6）：184-186.

[22]Zhao S Y ， Chen Q . A thermal circuit method for analysis and optimization of heat exchangers with consideration of fluid property variation[J]. International Journal of Heat & Mass Transfer， 2016， 99：209-218.

[23]Kaga K ， Kotoh S ， Ogushi T . Prediction of heat exchanger capacity by thermal network method （Influence of thermal conduction in fins on capacity of a condenser）[J]. Heat Transfer Asian Research， 2008， 37（2）：101-114.

[24]潘偉東，巫江虹.基于Fluent軟件的汽車散熱器雙側(cè)三維數(shù)值模擬[J].制冷，2007，26（1）：78-82.

[25]王龍緒.牽引變流器水冷散熱器研究[D].四川：西南交通大學(xué)，2015.