散熱器進出口布置對流阻影響的仿真分析

段德昊 熊飛 朱林培 鄧達泰

摘 要：文章采用STAR-CCM+通用流體仿真程序，基于Realizable k-e湍流模型，完成了某純電動車雙側散熱器在不同流量下流阻特性仿真分析，并通過相應的水阻試驗結果驗證了仿真方法的可靠性。然后結合實際工況，以冷卻液為流動介質，分別完成了散熱器雙側與單側設計在8L/min和10L/min兩種流量下的流阻特性分析。結果表明：在相同工況下，雙側進出口設計流阻特性更優，略小10%左右;此外，雙側水室內壁面最大壓應力也略小45%;且在一定范圍內流量越大，兩者差值越大。

關鍵詞：汽車散熱器;STAR-CCM+;流阻;仿真

中圖分類號：U464.138+.2 ?文獻標識碼：A ?文章編號：1671-7988（2019）12-113-03

Abstract： Numerical analysis on hydraulic resistance of a bilateral radiator in a battery electric vehicle was conducted with the general fluid simulation code STAR-CCM+ based on the Realizable k-e turbulence model. A good agreement between simulation results and experimental data with water media shows the effectiveness of the simulation method for hydraulic resistance of radiator. And then considering the real working condition and coolant， simulation on hydraulic resistance of bilateral radiator and unilateral radiator was carried out with coolant in flow rate of 8L/min and 10L/min respectively. Final results show that bilateral radiator has better performance with about 10% less hydraulic resistance and 45% less maximum wall pressure than unilateral radiator. Moreover， the difference becomes bigger along with the increasing flow rate within certain range.

Keywords： Radiator; STAR-CCM+; Hydraulic resistance; Numerical analysis

CLC NO.： U464.138+.2 ?Document Code： A ?Article ID： 1671-7988（2019）12-113-03

前言

散熱器是純電動汽車電驅冷卻系統不可缺少的重要部件，它通過循環冷卻液與外界空氣對流進行熱交換，保證系統在任何工況都能維持在合適溫度工作。散熱器流阻越大，消耗電機有效功率越大，故降低散熱器工作壓力，使電驅系統發揮最大效率，對散熱器設計至關重要[1]。

1 流體仿真的控制方程

計算流體動力學（CFD）仿真分析是基于流體力學連續性方程、動量方程及能量方程三大守恒控制方程，并選擇合適的湍流近似模型，進行數值離散迭代求解，獲得相關復雜流動近似結果的分析方法，目前是解決復雜工程流動問題的高效手段。本散熱器冷卻液流動可近似為低速不可壓定常流動，由以下控制方程組進行描述[2]。

1.1 連續性方程

2.2 仿真模型

散熱器網格采用混合網格劃分，兩側水室為多面體網格，中間扁管為三棱柱拉伸網格。在邊界層上，采用2層，總厚度0.5mm，增長率為1.3。單側和雙側模型面網格采用0.5mm的三角形單元，體網格分別約650萬和658萬。經網格無關性驗證后，該網格量可以滿足計算精度。

2.3 邊界與求解設置

在散熱器進口端面設置為質量流量入口，出口端面為壓力出口，大小為0Pa，其它管壁為wall。本文以60℃冷卻液（體積比為50%的水和乙醇混合液）分析，密度1040kg/m3，動力粘度1.65mPa·s，對比分析了8 L/min和10L/min時散熱器流阻和內壁面最大壓應力。

3 散熱器仿真方法驗證

3.1 仿真方法的可靠性驗證

按照雙側進出口散熱器單體水阻試驗結果，以60℃水為流動介質（密度983kg/m3，動力粘度0.5mPa·s）完成相應仿真分析，如表1所示，對比結果表明，同流量下仿真與試驗流阻相對誤差在3%以內，驗證了方法的有效性。

4 散熱器仿真結果分析

針對某車型散熱器實際工況和流動介質，重點分析了冷卻液8L/min和10L/min兩種流量來評估散熱器流阻特性。基于上述經驗證的CFD分析方法，分析了實際工況下雙側和單側的差異。僅以10L/min流量結果作對比分析。

4.1 進出口流阻特性對比分析

4.2 散熱器水室內壁面最大應力分析

取散熱器最大壓應力存在部位，即入口部位，如圖6所示。

5 結論

對于純電動車電機散熱器單體而言，在相同流量工況下：1）雙側布置比單側流阻特性更優，略小10%左右;2）對于水室內壁面壓應力也略小45%左右;3）在一定范圍內，雙側與單側散熱器的流阻差異隨冷卻液流量增大時有增大的趨勢。因此，若僅從散熱器流阻特性和對水室強度影響的角度，優先選用雙側進出口散熱器。

參考文獻

[1] 吳立平，林貴平等.管帶式汽車散熱器性能分析系統[J].北京汽車， 2005（1）：9-12.

[2] 王福軍.計算流體動力學分析[M].北京：清華大學出版社.

[3] 田杰安等.基于CFD的散熱器結構優化[J].內燃機與動力裝置， 2012（4）：40-42.

[4] 王維等.層疊式蒸發器建模與仿真研究[D].南京農業大學，2008（6）： 25-27.

[5] 張書義，劉松等.基于Fluent的汽車散熱器熱耦合仿真[J].汽車實用技術，2016（6）：88-91.