內(nèi)置油冷器位置對(duì)散熱器性能的影響

孫佳明 武亞嬌 曹向斐

（泛亞汽車技術(shù)中心空調(diào)電子部）

內(nèi)置油冷器布置在散熱器水室內(nèi)，因此布置位置會(huì)直接影響到散熱器以及發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻系統(tǒng)的性能。對(duì)于油冷器結(jié)構(gòu)的研發(fā)，國(guó)內(nèi)外學(xué)者已經(jīng)進(jìn)行了大量的研究。文獻(xiàn)[1]通過(guò)CFD以及標(biāo)準(zhǔn)偏差方法，研究了板式油冷器內(nèi)部各層的熱流性能；文獻(xiàn)[2]研究了板式油冷器內(nèi)部壓力分布；文獻(xiàn)[3]研究了油冷器水側(cè)流動(dòng)特性，并提出了防止氣蝕發(fā)生的設(shè)計(jì)優(yōu)化方案。這些研究成果主要集中在油冷器油側(cè)的性能優(yōu)化及參數(shù)設(shè)計(jì)等，而對(duì)油冷器在水室中的布置對(duì)冷卻系統(tǒng)的影響卻鮮有論及。而在一些汽車主機(jī)廠中也有油冷器布置位置相關(guān)的經(jīng)驗(yàn)值，但是缺乏定量研究的依據(jù)。文章討論了油冷器在散熱器水室中布置位置對(duì)水室壓降和油冷器換熱量的影響。

1 物理問(wèn)題及描述

圖1示出散熱器水室物理模型。冷卻液通過(guò)水箱扁管進(jìn)入水室，通過(guò)出水口流出水箱。同時(shí)，變速箱機(jī)油從油冷器上方進(jìn)入油冷器，經(jīng)過(guò)冷卻液冷卻之后由水室下方流出。不同的油冷器布置位置會(huì)導(dǎo)致不一樣的換熱流動(dòng)結(jié)果。

可以通過(guò)2種方式來(lái)改變水室和油冷器的相對(duì)位置：一是固定水箱設(shè)計(jì)，改變油冷器位置；二是固定油冷器位置，改變水室水口位置。由于第2種方式的網(wǎng)格變動(dòng)量較小，對(duì)實(shí)際模型的模擬也能夠充分體現(xiàn)。因此，選擇第2種方式進(jìn)行研究。

保持油冷器位置及水室總?cè)莘e不變，設(shè)計(jì)了6種不同的水室水口位置，將水口和油冷器重合的位置從50%（水口到油冷器投影面積為水口的50%）逐漸變動(dòng)到100%（水口完全投影到油冷器上），如圖2所示。

2 數(shù)值模擬

2.1 數(shù)學(xué)模型

由于數(shù)值傳熱學(xué)（NHT）[4]的方法不受物理模型與試驗(yàn)開(kāi)發(fā)的影響，能夠低耗高效地得出具有實(shí)際應(yīng)用價(jià)值的結(jié)果。因此，文章主要通過(guò)計(jì)算流體力學(xué)軟件（Fluent軟件），對(duì)油冷器在水室內(nèi)不同的相對(duì)位置進(jìn)行數(shù)值模擬，解算出不同位置下水室內(nèi)部的流場(chǎng)。從而確定了油冷器布置位置對(duì)水室內(nèi)部的壓降規(guī)律。

油冷器布置在水室中，周邊流道狹窄，冷卻液流動(dòng)方式為復(fù)雜的湍流流動(dòng)過(guò)程。因此，采用SIMPLE算法，湍流模型采用標(biāo)準(zhǔn)k-ε兩方程模型。描述文中抽象結(jié)構(gòu)的湍流換熱控制方程，包括連續(xù)性方程、動(dòng)量方程（Navier Stokes方程）及能量方程[5]。

2.2 邊界條件

根據(jù)某車型油冷器的試驗(yàn)值，確定了相應(yīng)的邊界條件。冷卻液進(jìn)口定義為質(zhì)量流量進(jìn)口條件，溫度為82℃，質(zhì)量流量為1.4 kg/s。冷卻液出口質(zhì)量由連續(xù)性方程已經(jīng)確定，因此僅設(shè)壓力出口條件。變速箱機(jī)油經(jīng)由變速箱流入外置油冷器，其入口按照試驗(yàn)測(cè)定的值給出質(zhì)量流量進(jìn)口條件，入口油溫為115.76℃，質(zhì)量流量為0.05 kg/s。與冷卻液入口類似，油冷器出口也設(shè)為壓力出口條件參與計(jì)算。

為了抓住油冷器布置位置對(duì)整個(gè)水路的影響這一重點(diǎn)，將其他邊界條件設(shè)為壁面條件，從而簡(jiǎn)化計(jì)算。

3 計(jì)算結(jié)果及其分析

根據(jù)圖2的6種工況，其中，工況1為50%的水口投影面積投射到油冷器上；工況2為70%的水口投影面積投射到油冷器上；從工況3到工況5為水口全部投射到油冷器上；工況6為部分水口投影面積離開(kāi)油冷器。文章以工況1，3，5為例，圖3示出3種工況下的水流速度場(chǎng)分布。

從圖3可以發(fā)現(xiàn)，工況1的速度明顯要高于其他2種結(jié)構(gòu)形式。當(dāng)水流進(jìn)入水室之后，由于工況1的水室入口有50%的面積未被油冷器擋住，因此水流速度能夠充分發(fā)展。在計(jì)算穩(wěn)定時(shí)，油冷器背面也有相當(dāng)?shù)乃俣龋鲃?dòng)相對(duì)流暢，如圖3a所示。而其他2種工況下，水流迅速被油冷器阻擋，不可能充分發(fā)展，因此在計(jì)算穩(wěn)定之后，其速度分布也僅在正對(duì)油冷器的一側(cè)，如圖3b和圖3c所示。由于在一般情況下，壓降與進(jìn)出口速度平方之差正相關(guān)，因此，當(dāng)油冷器未被擋住的工況下，其壓降值會(huì)較小。

圖4示出所計(jì)算6種不同位置下的冷卻液壓降變化。從計(jì)算結(jié)果明顯可見(jiàn)，一旦出現(xiàn)水口面積沒(méi)有完全投射到油冷器上（工況1，2，6），則對(duì)應(yīng)的冷卻液側(cè)壓降較小。從工況3～5可以看出，當(dāng)水口完全投影在油冷器上時(shí)，其壓降變化不是很大。從工況2～3有30%的壓降升幅，說(shuō)明冷卻液側(cè)壓降的變化對(duì)投影面積的增大非常敏感。

從以上分析可以看到，當(dāng)水口面積逐步投影到油冷器上時(shí)，冷卻液流出散熱器的通道就越窄，故水側(cè)阻力就會(huì)大幅提升。因此，為了降低整個(gè)冷卻系統(tǒng)的冷卻液側(cè)阻力，散熱器水口投影到油冷器上的面積不宜超過(guò)水口面積的50%。當(dāng)無(wú)法保證50%的投影面積時(shí)，可以通過(guò)增大冷卻液水口到油冷器的間距來(lái)擴(kuò)大冷卻液流道，從而降低冷卻液阻力。

4 結(jié)論

1）將油冷器作為壁面模型能夠撇除油冷器內(nèi)部結(jié)構(gòu)，有效簡(jiǎn)化計(jì)算模型。從計(jì)算結(jié)果來(lái)看，使用該簡(jiǎn)化方法來(lái)進(jìn)行計(jì)算是完全可行的。

2）散熱器水室內(nèi)阻力與油冷器的布置位置緊密相關(guān)。水口在油冷器上的投影面積不斷增大時(shí)，其水側(cè)壓降也會(huì)增大。從結(jié)果來(lái)看，當(dāng)冷卻液水口投影到油冷器面積達(dá)到進(jìn)水口面積的一半后，阻力會(huì)突然增加，因此，在零件布置階段，水口投影到油冷器的面積應(yīng)當(dāng)控制在50%以下，這樣能夠有效控制因?yàn)樗谖恢米儎?dòng)帶來(lái)的散熱器水阻上升。

3）如布置位置不可避免完全投影于油冷器上，冷卻液水口位置對(duì)壓降的影響就不明顯了。為了降低這類布置時(shí)的水阻，需要盡可能擴(kuò)大流道空間。在零件布置允許的前提下，適量增大水口到油冷器的間距，可以抵償投影面積全部在油冷器上的壓降增量。

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