新型收腰管散熱器散熱性能的數值模擬研究*

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(貴州大學 機械工程學院，貴州 貴陽 550025)

1 概述

散熱器是汽車冷卻系統的核心部件，散熱器性能好壞直接影響汽車發動機的散熱效果及其動力性、經濟性和可靠性,乃至正常工作和安全行駛的問題。當今汽車散熱器的主體就是鋁質裝配式散熱器和鋁質管帶式焊接散熱器，傳統的焊接散熱器在散熱帶與散熱管之間采用焊接連接，在最大程度上消除了部件間的導熱熱阻，使其具有極佳的傳熱性能。

圖1 管片裝配式散熱器

但是本文應用的管片裝配式散熱器在加工全程采用機械式加工，對環境無污染無危害，流水線作業，生產效率高，相對焊接式產品成本較低，擁有更佳的性價比。圖1為管片裝配式散熱器爆炸示意圖。

從圖1可以看出，裝配式散熱器由冷卻水管和散熱片構成，兩端分別是進水管和出水管。散熱器的散熱過程是水冷卻液流經發動機帶走發動機運行時產生的熱量，自身水溫升高，再經進水管流入散熱器，通過外部冷卻空氣和散熱器本身的共同作用，使散熱管里面的水冷卻液溫降低，經出水管回流入發動機進行循環冷卻。所以為了提高散熱器的熱交換性能，主要是對散熱管和散熱片的主要結構參數的優化[1]。本文對提高散熱器散熱性能的結構優化主要是對散熱管參數的優化。而對散熱管主要考慮管道截面形狀。散熱管截面形狀主要有圓管、橢圓管、扁管等形式。早期產品中，圓管與橢圓管形狀應用較多。傳統的圓管型散熱管工藝性良好，制造成本低，設備的投入較小，且入門門檻較低，廣泛應用于排量較小的車輛中。橢圓管和扁管是由相同周長的圓管壓制而成，圖2為一種扁管的截面示意圖。參數hi/Di的大小表示圓管被壓扁的的程度。hi/Di的值越小，基管被壓扁的程度就越大。

近來大眾公司全新MQB平臺提出了一種新型的散熱管—收腰扁管[2]，圖3為收腰管的結構示意圖。收腰扁管獨特在于：在同等流通面積下，散熱管外沿周長最長，管徑當量直徑更小，管內流體換熱效率提升；同時由于“收腰”的原因，增加了散熱片面積；收腰結構能夠促進流體的渦流，引起管壁臨界層的分離，使得整個產品具有較高的換熱能力。而本文主要是對一種新型收腰管型的散熱器進行三維仿真性能分析。驗證這種改進的新型收腰管型散熱器與橢圓管和扁管散熱性能方面的優良[3-4]。

2 物理模型及計算區域

管片式裝配式散熱器由冷卻水管和散熱片構成，在散熱片上按水管的截面形狀和尺寸，以一定方式沖孔，再將它并列套在散熱管上，最終在拉脹一體機上面對散熱管和散熱片進行拉脹工藝，使散熱管與散熱片緊密無縫隙接觸。如圖4、圖5給出了收腰管型和橢圓管型散熱器內部芯體局部散熱單元。

散熱器的換熱過程是一個復雜的流動換熱過程，在CFD計算時設定水散熱器為三維不可壓縮、穩態、湍流流動，且流體的流動和傳熱滿足：質量守恒定律(連續方程)、能量守恒定律、動量守恒定律(N-S方程)[6]。

基本方程：

質量守恒方程：單位時間內流體微元體中質量的增加，等于同一時間間隔內流入該微元體的凈質量。

式中：ρ是密度，t是時間，u是速度矢量，u、v、w是速度矢量u在x、y、z方向的矢量。

動量守恒定理：微元體中流體的動量對時間的變化率等于外界作用在該微元體上的各種力之和。

能量守恒方程：微元體中能量的增加率等于進入微元體的經熱流量加上體力與面力對微元體所做的功。

式中：Cp是比熱容，T為溫度，k為流體的傳熱系數，ST為流體的內熱源及由于粘性作用流體機械能轉換為熱能的部分。

3 邊界條件及數值解法

本文研究中忽略了空氣流經翅片的流動和傳熱，只考慮冷卻液在散熱管中的流動和換熱。散熱管280 mm，而冷卻液在管內的溫度均勻降低，取最薄的散熱管片體單元進行研究，根據實驗散熱管內冷卻液的溫度為70-85℃，取75℃作為散熱器管壁溫度邊界條件施加。

三種不同管型采用相同周長，相同散熱面積的管截面二維分析模型。左面為空氣入口方向，右面為空氣出口方向。具體邊界條件定義如下[7]：

1)空氣入口設為速度入口邊界條件，設置向右方的空氣速度為4 m/s，空氣溫度為25℃；

2)空氣出口設定為壓力出口邊界條件；

3)散熱管壁面設定為固定溫度壁面，模擬水的溫度，設定為75℃；

4)空氣對稱面設定為對稱邊界條件；

5)其余壁面未加以說明的均考慮為絕熱壁面；

6)考慮湍流對流動與傳熱的影響因此選用k-ε方程模型，傳熱模型選擇Energy模塊，選擇standard類別，SIMPLE算法。為保證收斂精度，定義收斂條件為能量的殘差絕對值小于1.0×10-7，并且其他變量的殘差絕對值小于1.0×10-5。

4 計算結果與仿真分析對比[8]

對收腰管、橢圓管、扁管散熱器分別建立完整換熱單元并求解之后，輸出不同散熱管型的三維模型的速度場、溫度場、壓力場結果加以分析比較。

4.1 內部流動壓力云圖對比分析

由圖5可以看出，在三種管型當中同樣的流通長度，相同位置橢圓管的壓降要小于扁管小于收腰管，而在散熱器的散熱性能方面，要求壓降越小越好，所以可以看出三種管的散熱性能是收腰管的最好。

4.2 內部流動速度矢量對比分析

因為管壁溫度要遠大于空氣溫度，從速度矢量圖紅色區域的長度可以看出收腰管散熱效率高于扁管，高于橢圓管。且在收腰管管壁中心凹陷的部分溫度低于扁管、橢圓管中心部分溫度，在每個圖形的兩管之間也有明顯的渦流形成，且收腰管的要多于扁管和橢圓管。相同的條件下，更多的渦流可以帶走更多的熱量。

圖5 壓力云圖 圖6 速度矢量圖

4.3 傳熱量數據分析

圖7 不同管型在不同入口速度下的出口熱量

分別以出口熱量(W)、管傳熱量(W)為指標。采用圖表對比分析法對各影響因素進行分析。

由計算結果可得：管壁的傳熱量比出口的傳熱量稍微高一點，減去內部的能量損失，符合能量守恒定理。

表1 不同管型在不同入口速度下的出口熱量

5 結論

1)本文使用CFD軟件對圓管、橢圓管、收腰管的散熱器建立了最簡散熱單元的三維仿真計算。得到了散熱單元流場的內部流動細節和散熱單元的換熱數據。三種管型采用相同周長的圓管壓制而成，外部條件設置相同，理論數據具有極高的依據。

2)從三種管型的壓力場分布、速度矢量分布、溫度分布和出口熱量、管傳熱量值的結果，可以看出散熱性能最好的是收腰管，且收腰管>扁管>橢圓管，新型收腰管型散熱器在相同散熱單元里的散熱性能比橢圓管提高11個百分點，此新型管型散熱器已在實際生產中得到大量使用。

[1] 常賀. 基于CFD方法的汽車散熱器仿真研究[D]. 吉林：吉林大學，2009: 15-23

[2] 李梅裙，艾崇敏，張運.收腰型散熱管：中國，201220720852[P].2013-07-03

[3] 周偉. 汽車散熱器試驗研究及性能分析[D]. 重慶：重慶大學，2013:41-44

[4] 李曉光. 汽車百葉窗翅片式散熱器性能數值模擬與風洞實驗研究[D].天津：天津大學，2012:2-3

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[9] 丁欣碩編著.FLUENT 14.5流體仿真計算從入門到精通[M].北京：清華大學出版社，2014