環境條件變化對散熱器性能的影響

劉輝

摘要：為了探究環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，研究了進風口風速和空氣溫度變化對散熱器性能的影響。結果表明：隨著進風口風速增加，冷卻水的進出口溫差增加，散熱器的換熱量增加，當風速由2m/s增加到8m/s時，進出口溫差由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，冷卻水進出口溫差減小，換熱量減小，當空氣溫度由-15℃增加到15℃時，進出口溫差由57.272℃減小到38.935℃，換熱量由2583W減小到1778.8W。

關鍵詞：板式散熱器;入口風速;入口溫度;換熱量

0 ?引言

散熱器是車輛冷卻系統的核心附件，它的作用是吸收發動機所產生的熱量并將其散發到空氣中，以保護發動機避免因過熱造成的破壞[1]，其換熱能力的強弱直接影響到發動機性能[2]。由于車輛的工作環境不同，對發動機的動力性、經濟性、起動性、排放性以及冷卻傳熱等性能都會產生影響[3]。由于空氣的溫度、風速、壓力等參數對散熱器影響較大，尤其在西藏等海拔高的地區，高原的車輛會經常出現拋錨等情況，很大原因就是因為散熱器工作不正常所致[4]。海拔每升高1000m，散熱器空氣側對流換熱系數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濟性有很重要的意義。

目前，在車載散熱器結構研究方面，索文超[6]通過降低散熱器空氣側流動阻力和芯部體積節約了冷卻風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行了理論和數值研究，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行性能分析及翅片結構優化，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%。關鳳艷[10]建立管帶式散熱器傳熱與阻力預測模型進行了散熱器芯體結構參數優化，減少了耗材和降低了生產成本。Huang Y[11]采用了多尺度熱分析方法來研究中間冷卻器，通過網格細化和基準插值技術的應用，分析了內部流動和傳熱機理，并計算了壓力和溫度數據。沈勇[12]對冷卻風道進行優化，使散熱系統流經散熱器的冷卻空氣風量顯著提升，進口溫度顯著下降。葉斌[13]等人對管帶式散熱器的設計、校核、優化和參數化以及冷卻液的性能進行了研究。李政[14]分析了鋁塑汽車散熱器與型管汽車散熱器的結構特點。肖壽高[15]設計開發了一種新型的凸紋管汽車散熱器結構總成，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]模擬計算了水在散熱器內部的流動傳熱過程，通過分析溫度場和壓力場等的變化，對散熱器進行了優化。王秋敏[17]在LabVIEW環境下利用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和壓降進行了實驗研究。Chaurasia P[19]以奈米流體為冷卻劑，以蒸餾水為冷卻劑，強制空氣通過散熱器的垂直方向，對汽車散熱器的性能進行了研究。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。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。Zhao S Y[22]研究了流體特性變化對換熱網絡優化的影響，發現流體性質的變化顯著影響每種流體的最佳質量流速，而對熱導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，預測表明，通過翅片中的熱傳導，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，現有研究重點關注了散熱器的結構優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。因此本文以風速和溫度作為主要研究對象，系統認識其對散熱器散熱的影響規律，以期為散熱器設計與優化提供理論支撐。

1 ?模型的建立

1.1 物理模型

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

1.2 數學模型

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[25]。

1.3 網格劃分和獨立性驗證

選用四面體網格對模型進行劃分，定義水的入口和出口，如圖1（a），最上邊的水口為進水口（Velocity-inlet），經過循環后下方水口為出水口（outflow）;圖1（b），一側為進風側（Velocity-inlet），另一側為出風側（outflow）。

在數值模擬前對5組網格進行了測試計算，并以冷卻水出口溫度作為評價標準，具體模擬結果如表1所示。

由表1可知，后四個方案冷卻水出口溫度結果的相對變化率均小于1%，在充分考慮到計算準確度及模擬時間的基礎上，選擇方案三為最終網格劃分方案。

1.4 初始條件與邊界條件

計算模型的初始條件和邊界條件設定如表2所示。

2 ?結果與分析

2.1 進風口風速影響

從圖3中可以看出，當進風口空氣溫度保持不變時，隨著風速的增加，冷卻水的進出口溫差會增大。在風速為 2m/s時，冷卻水的進出水口溫差為6.664℃;當風速變為8m/s時，冷卻水的進出水口溫差變為22.624℃，散熱能力提高了239.50%;當風速增加到14m/s時，冷卻水的進出水口溫差為27.123℃，散熱能力又提高了19.89%，說明風速的增加，會提高散熱器的散熱能力，這是因為當空氣溫度不變時，風速的增加會使空氣對流換熱系數增加，使空氣帶走的熱量變多，導致冷卻水的進出口溫差變大，進一步對進出水口的換熱量進行分析。

從圖4中可以看出，當進風口空氣溫度保持不變時，隨著風速的增加，冷卻水的進出口換熱量越來越大。在風速為2m/s時，冷卻水的進出水口換熱量為300.2W;當風速變為8m/s時，冷卻水的進出水口換熱量變為1019.6W，散熱能力提高了239.64%;當風速增加到14m/s時，冷卻水的進出水口換熱量為1223.6W，散熱能力提高了20.01%。風速的增加會帶走散熱器更多的熱量，使散熱器內冷卻水的熱量減小，讓散熱器的散熱性能增強。但是散熱器換熱量的增加幅度隨著風速的增加而減小，當風速增大到一定程度時，圖2中的曲線會慢慢的近似于一條水平的直線，這是因為風的比熱容決定了其本身能夠帶走能量的趨勢會趨近于穩定，使散熱器的換熱量也趨近于穩定。

2.2 進風口空氣溫度的影響

從圖5中可以看出，當進風口風速保持不變時，隨著空氣溫度的增加，冷卻水的進出口溫差會越來越小。在空氣溫度為-15℃時，冷卻水進出水口溫差為57.272℃;當空氣溫度為15℃時，冷卻水進出水口溫差為38.935℃，散熱器的散熱能力下降了32.02%;當空氣溫度為35℃時，冷卻水進出水口溫差為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。這是因為溫度的變化就是兩部分分子之間的動能平均化，當空氣溫度增加時，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，導致散熱器的散熱能力降低。進一步對進出水口的換熱量進行分析。

從圖6中可以看出，當進風口風速保持不變時，隨著空氣溫度的增加，冷卻水的進出口換熱量越來越小。在空氣溫度為-15℃時，冷卻水進出水口換熱量為2583W;當空氣溫度為15℃時，冷卻水進出水口換熱量為1778.8W，散熱器的散熱能力下降了31.13%;當空氣溫度為35℃時，冷卻水進出水口換熱量為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，這是因為換熱量與換熱面積、換熱系數和溫差有關，當風速一定時，換熱系數變化幅度很小，所以使空氣和散熱器之間的換熱量趨勢與冷卻水的進出口溫差的變化趨勢一樣。

3 ?結論

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，研究了風速和空氣溫度對散熱器性能的影響。①當進風口空氣溫度保持不變時，隨著風速的增加，冷卻水的進出口溫差和換熱量會越來越大。在風速為2m/s時，冷卻水的進出水口溫差為6.664℃、換熱量為300.2W;當風速變為8m/s時，冷卻水的進出水口溫差變為22.624℃、換熱量變為1019.6W，散熱能力提高了239.50%;當風速增加到14m/s時，冷卻水的進出水口溫差為27.123℃、換熱量為1223.6W，散熱能力又提高了19.89%。②進風口風速保持不變時，隨著空氣溫度的增加，冷卻水的進出口溫差和換熱量會越來越小。在空氣溫度為-15℃時，冷卻水進出水口溫差為57.272℃、換熱量為2583W;當空氣溫度為15℃時，冷卻水進出水口溫差為38.935℃、換熱量為1778.8W，散熱器的散熱能力下降了32.02%;當空氣溫度為35℃時，冷卻水進出水口溫差為27.123℃、換熱量為1223.6W，散熱器的散熱能力下降了30.34%。

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