百葉窗翅片式散熱器性能數值模擬與優化

王維偉，鄭再象，劉龍婷，王輝，王世楠

百葉窗翅片式散熱器性能數值模擬與優化

王維偉，鄭再象*，劉龍婷，王輝，王世楠

（揚州大學機械工程學院，江蘇 揚州 225009 ）

文章以某百葉窗翅片式散熱器為研究對象，取傳熱因子、摩擦因子、綜合性能因子為量化指標，借助Fluent軟件模擬散熱器在不同工況下的流場、溫度場及壓力場分布情況，研究散熱器的傳熱及流阻性能，并通過風洞試驗驗證仿真結果的可靠性。結合試驗結果設計了一種新型孔狀百葉窗翅片散熱器，與傳統百葉窗翅片散熱器相比，傳熱因子最大提高了14.6%，摩擦因子最大減小了9.8%，綜合性能因子提高了9.8%-14%，傳熱及流阻性能有明顯提升。

孔狀翅片；散熱器；數值模擬；風洞試驗

前言

隨著車輛排放標準的不斷提高，發動機向著“高功率、低排放、輕量化”的方向發展，發動機轉速上升，比功率增大，所產生的熱負荷也增加，導致機件強度降低，易發生塑性變形，影響部件的配合間隙，減少零件的使用壽命。[1-3]散熱器是發動機冷卻系統的關鍵部件，采用經驗法設計，常導致散熱性能不足，流阻過大，不能滿足實際需求，且試驗時間和經費較多。[4-6]本文以某汽車發動機百葉窗翅片散熱器為研究對象，借助Fluent軟件，分析不同工況下熱散器的散熱和流阻性能，為散熱器的設計提供一種新的設計和優化方法。

1 仿真試驗設計及數值模擬分析

1.1 結構分析

散熱芯為散熱器主要的工作部件，外形呈長方體狀，外部連接著進出水管、固定機構等，內部由翅片、水管等構成，其外形尺寸為704 mm×542 mm×26mm，百葉窗翅片數量為64片，間距1.1mm，角度為23°，材料選用3003鋁合金。

1.2 建立有限模型

散熱芯由水管和翅片構成，外形尺寸大，翅片數量多，局部結構精細，如果單元尺寸大，則網格質量差，影響計算精度；如果單元尺寸小，則單元數量大，計算效率低，因此需要對計算模型進行簡化。因流體在散熱芯上的流動具有周期性和對稱性，取百葉窗翅片的一半，以管壁代替散熱水管建立有限元模型，忽略流體重力對散熱器性能的影響，適當放大流體域。簡化傳熱過程，定義翅片為發熱壁面，表面溫度恒定358.15K。所建立的百葉窗翅片簡化有限元模型如圖1所示。

圖1 百葉窗翅片簡化有限元模型

1.3 邊界條件設定

設定入口風速4、6、10m/s三種工況，流體溫度恒定298.15K。出口邊界條件為自由流出。百葉窗翅片結構具有對稱性和周期性，為減小計算工作量，將百葉窗翅片剖面定義為對稱性symmetry邊界條件，計算域上下平面設定為周期性邊界條件。[7][8]

1.4 數值模擬結果分析

表1給出了3種工況下百葉窗翅片流場的溫度、速度、壓力分布情況。從表中可知，進口風速越快，翅片冷卻效果越明顯，散熱器出口流速和最大流速越快，同時空氣側壓降也越大。這是因為在低流速時，空氣在翅片表面停留時間較長，熱量不能及時帶出，散熱效果較差。相反在高空氣流速時，氣流在百葉窗的切削作用下，使翅片表面流體邊界層變薄，最大流速和出口流速加快，此時翅片表明最小溫度由340K降至331K，出口溫度也由337K降至328K，散熱效果更明顯。同時隨著進口風速的升高，百葉窗擾流作用加大，脈動阻力也隨之增加，最大流速的增幅由83.5%降低至76.7%，空氣側壓降由38.2Pa增加至181.9Pa。

表1 數值模擬結果

圖2給出了進口風速6m/s時散熱器的速度、溫度和壓力分布云圖。從圖2（a）中可以看出，空氣在百葉窗結構的干擾下，流速逐漸上升至最高10.6m/s，通過百葉窗區域后，逐漸減緩至6.38m/s。圖2（b）中，冷卻空氣進入百葉窗后與高溫翅片進行熱交換，流出翅片區域時溫度升至最高，最終在散熱器末端與主流區冷空氣會合，溫度降至平緩流出。熱對流交換過程中，翅片前半部分冷卻空氣由298K上升至319K，而后半部分由322K上升到331K，前者換熱更明顯，冷卻效果更好。從圖（2）c可知，空氣進入散熱器后百葉窗截面厚度阻擋空氣流通，壓力升高，通過百葉窗區域后，壓力在脈動阻力和摩擦阻力的作用下不斷減小。

2 風筒試驗及性能分析

2.1 風筒試驗

試驗臺由循環水加熱裝置、風筒循環水路、風機、水泵、測試儀器及控制設備組成，在散熱器上選取20個均勻分布的測溫點，每個測溫點放置一片銅鎳合金的熱電偶，用于檢測散熱器溫度變化。[9]試驗室內溫度為25℃，風筒入口溫度恒定為85℃，空氣流速分別設置為2m/s、4m/s、6m/s、8m/s、10m/s。

2.2 試驗數據處理

假設空氣為不可壓縮流體，散熱器性能評價指標：傳熱因子、摩擦因子、綜合性能因子計算公式分別如下：

傳熱因子及摩擦因子：

式中：——普朗特數；——空氣密度kg/m3；——速度m/s；——表示計算流域的長度m

綜合性能評價因子考慮了傳熱和流阻兩方面的性能，為=1?3。

對試驗與模擬仿真結果按上述公式進行計算處理，得出各項評價指標數據對比，結果如圖3所示：

圖3 試驗與仿真結果對比

對比試驗與仿真結果，兩者誤差較小且變化趨勢一致。分析誤差產生原因有以下幾種：（1）仿真模型由實物的簡化得到，兩者存在誤差（2）仿真試驗忽略了冷卻管壁的導熱作用。（3）試驗臺設備精度影響最終結果。

3 新型孔狀百葉窗翅片散熱器

結合上文的研究，提出一種新型孔狀百葉窗翅片散熱器。一方面孔狀翅片可以有效地減少散熱器質量，一定程度上實現輕量化。另一方面可以使空氣沿著孔流動，加快空氣流速增強翅片的擾動作用，提高換熱系數達到提高散熱性能的效果。

對新型孔狀百葉窗翅片進行散熱及流阻性能研究，取入口空氣流速6m/s的仿真結果對比分析，如圖4所示：

圖4 空氣流速6m/s時溫度與壓力分布

由圖4（a）可見孔狀翅片出口處溫度較傳統翅片溫度更低，散熱效果更優。圖4（b）展現了由于孔狀翅片結構，空氣通過的速度變快，摩擦阻力較小，所產生的壓降較傳統翅片散熱器更小。

對比傳統翅片與新型孔狀翅片的性能指標，如圖5所示。兩者性能指標的變化趨勢大體一致，孔狀翅片散熱器性能優于傳統翅片。其中傳熱因子最大增幅為14.6%，摩擦因子最大降幅為9.8%，綜合評價因子增幅在9.8%-14%。

圖5 新型孔狀翅片與傳統翅片性能對比

4 總結

本文通過對某百葉窗翅片式散熱器在不同入口風速下流阻、傳熱及綜合性能研究，得出以下結論：

（1）對比百葉窗翅片數值模擬與試驗的結果，兩者誤差在10%以內，證明該方法可靠。

（2）隨著入口風速的提高，散熱器各項性能評價指標均呈拋物線式下降。

（3）對比傳統翅片散熱器，新型孔狀翅片散熱器在流阻性能、傳熱性能及綜合性能方面更優。

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Numerical Simulation and Optimization of Shutter Fin Radiator Performance

Wang Weiwei, Zheng Zaixiang*, Liu Longting, Wang Hui, Wang Shinan

( School of mechanical engineering, Yangzhou university, Jiangsu Yangzhou 225009 )

In this paper, a shutter finned radiator is taken as the research object. heat transfer factorand friction factor, comprehensive performance factoras quantitative indicators, Fluent software was used to simulate the distribution of flow field, temperature field and pressure field of radiator under different working conditions. The performance of heat transfer and flow resistance of radiator is studied, and the reliability of simulation results is verified by wind tunnel test. Combined with the experimental results, a new type of finned louver radiator is designed. Compared with the traditional louver finned radiator, the heat transfer factor increases by 14.6%, the friction factor decreases by 9.8%, the comprehensive performance factor increases by 9.8%-14%, and the heat transfer and flow resistance performance is significantly improved.

Pore fin; Radiator; Numerical simulation; Wind tunnel tests

10.16638/j.cnki.1671-7988.2021.02.021

U464.138.2

A

1671-7988(2021)02-66-04

U464.138.2

A

1671-7988(2021)02-66-04

王維偉，碩士研究生，就讀于揚州大學機械工程學院，從事車身結構與流體研究。

鄭再象，就職于揚州大學機械工程學院。