弧形渦發生器對車用散熱器的影響研究

馬宗鵬，黃瑛

（550025 貴州省 貴陽市 貴州大學 機械工程學院）

0 引言

汽車散熱器可以有效避免發動機過熱，保證發動機在合適的溫度下運作，是發動機冷卻系統必不可少的組成部分，其散熱性能將直接影響車輛的運行性能和使用壽命。隨著現代汽車工業的發展和節能減排要求的日益提高、各類高科技產品在汽車上的應用以及汽車散熱器惡劣的工作環境，對汽車散熱器的散熱性能有了更高的要求[1-4]。

管片裝配式散熱器是目前應用較為廣泛的散熱器之一，其散熱芯體由大量的翅片和管組成，結構如圖1 所示，翅片的結構對散熱器的散熱性能有重要影響。李娟等[5]利用數值分析得到了橫排三角形多孔翅片的傳熱性能，通過驗證不同開孔率，得到開孔率與傳熱性能成正相關；劉亞東等[6]對安裝鋸齒形渦發生器的散熱器模型進行了數值仿真，分析了不同渦發生器下的JF 因子，研究結果表明，散熱器的傳熱能力有顯著增強；劉宜仔等[7]通過實驗研究與數值分析相結合的方式研究了三角翼和矩形翼渦發生器對空氣側流場的影響，結果表明，三角翼渦發生器與針柱型散熱器的組合強化傳熱能力最強。Song 等[8]研究了不同橫向位置和攻角的凹曲線渦發生器對換熱器熱工水力特性的影響以及5 種不同橫向位置的渦流發生器，結果表明，凹曲線渦發生器與波紋翅片組合使用，可以顯著改善波紋翅片管式換熱器的換熱性能。

圖1 管片裝配式散熱器Fig.1 Fin-and-tube assembled radiator

以上研究證明，渦發生器的設置主要改變了散熱管周圍空氣的流場狀態，在一定程度上加強了空氣的湍流程度。同時，合理的渦發生器形狀可以引導空氣方向，增加散熱管壁與空氣的對流換熱強度，提高散熱器的散熱能力。目前研究的管型以圓管、扁管較多，對特殊管型的渦發生器研究較少，通過實驗或數值研究成為對散熱器散熱性能研究的主要方法，實驗法周期長、成本高，數值研究方法周期短，成本低?？紤]到數值模擬的可靠性，采用基于有限體積法的Fluent 軟件進行CFD 建模，將收腰管作為基礎研究管型建立計算模型，同時在管外設置空氣域構成兩相對流換熱模型進行數值模擬分析。對平翅片、弧形渦發生器1#、2#、3#，這4種翅片進行仿真，從空氣側溫度、速度、壓力和綜合性能等方面進行比較分析，研究渦發生器對其傳熱特性和流動特性的影響，對現代收腰管型散熱器的研發具有實際參考價值。

1 理論分析

1.1 模型建立

以某汽車散熱器廠家實際收腰管型散熱器為基礎管型，通過SolidWorks 軟件構造各模型。收腰管散熱能力較強的原因之一是空氣在經過其收腰部分時速度降低，且較長的腰部結構增加了空氣與管壁的散熱面積。合理設置渦發生器可增大收腰管腰部位置的湍流強度，進而增強收腰管對流換熱能力。在平翅片上收腰管腰部同心弧位置設置了弧形渦發生器，通過控制弧形角度設置弧形渦發生器的方式構建了弧形渦發生器1#、2#、3#。其模型尺寸如表1 所示，渦發生器的結構示意圖如圖2 所示。

表1 渦發生器幾何尺寸Tab.1 Model geometry size of vortex generator structure

圖2 弧形渦發生器結構示意圖Fig.2 Structure of arc-shapedvortex generator

1.2 基本假設

將模型簡化為散熱單元，冷卻介質為水，定性分析管外的流動換熱情況。假設水和空氣為不可壓縮流體，物性參數為恒定，流動為定常流動，忽略重力的影響。如圖3 以平翅片散熱單元模型為代表展示了管內和管外數值計算區域。

圖3 散熱單元模型Fig.3 Heat transfer unit model

邊界條件設定：（1）入口邊界條件：管內水域和管外空氣域入口均為速度入口邊界條件，水的入口溫度設置為353 K，速度固定為2 m/s，空氣的入口溫度設置為293 K；（2）出口邊界條件均為壓力出口邊界條件，為一個標準大氣壓；（3）固體壁面邊界條件：管內壁和翅片與空氣接觸面為耦合傳熱面。

1.3 控制方程和邊界條件設置

模型的計算區域分別為管內水和管外空氣的流體區域以及散熱管的固體區域，采用3 個基本控制方程：連續性方程、動量方程和能量方程。

連續性方程：

上述控制方程采用Fluent 2020 的控制體積法求解。所有計算均采用雙精度選項，采用2 階迎風離散控制方程的對流項、擴散項等物理量；采用交錯網格方式計算控制體表面的速度分量，控制流場的剩余變量存儲在控制體中心節點。Fluent 使用點隱式（Gauss-Seidel）線性方程解算器結合代數多重網格法的格式來求解離散化產生的線性系統。在所有仿真中，當所有控制方程的迭代過程產生殘差時，都考慮了收斂解。

1.4 網格無關性驗證

網格的數量對數值模擬的結果有很大的影響，為了驗證網格的無關性，在空氣速度為2 m/s 的工況下選取了5 種網格數量計算其翅片表面的對流換熱系數和空氣最大速度，具體數據如表2 所示。當網格數大于4 525 316 時，對流換熱系數和空氣最大速度趨平，誤差在允許范圍內。此時網格數量滿足計算的精度要求，綜合考慮計算資源，采用網格數為4 525 316 的各種模型進行數值模擬。

表2 網格的無關性驗證Tab.2 Grid independence verification

2 結果和討論

2.1 弧形渦發生器對傳熱性能的影響

圖4 所示為各翅片散熱單元在不同空氣進口速度下的翅片表面的努塞爾數對比。所有翅片的努塞爾數均隨空氣入口速度的增大而增大，弧形渦發生器3#的努塞爾數在各風速下最高，其次是弧形渦發生器2#和1#，平翅片最低。當空氣入口速度為14 m/s 時，弧形渦發生器3#相比于弧形渦發生器1#和平翅片，努塞爾數分別提高了2.8%和10.9%，與弧形渦發生器2#的努塞爾數相差不大。這說明在空氣速度為2～14 m/s 時，渦發生器的設置可以顯著增大翅片與空氣的換熱效率，但在弧形渦發生器1#、2#、3#之間，換熱能力有所不同。

圖4 不同翅片表面努塞爾數對比（2 m/s ≤ V ≤ 14 m/s）Fig.4 Comparison of Nusselt numbers on different fin surfaces（2 m/s ≤ V ≤ 14 m/s）

圖5 所示為相同空氣入口速度（10 m/s）時，各模型散熱單元的等位置溫度云圖。從圖5 可以明顯看出，與平翅片相比，空氣在渦發生器與收腰管之間的溫度明顯提高，在出口延長區部分，空氣帶走的溫度也有明顯上升。隨著渦發生器弧度的增加，空氣在出口延長區的溫度逐漸升高。弧形渦發生器的設置在一定程度上增加了翅片于空氣的接觸面積，相比平翅片來說可以將更多的熱量傳遞到空氣中，增加了散熱量。

圖5 不同翅片等值面溫度云圖對比Fig.5 Comparison of temperature nephogram of different fins on isosurface

此外，通過相同空氣入口速度下各散熱單元的速度流線圖（圖6）發現，弧形渦發生器的設置降低了空氣在收腰管腰部的空氣速度，增強了收腰管腰部的湍流強度，在收腰管的基礎上進一步加強了外管壁與空氣的對流換熱。同時，弧形渦發生器隨著弧度的增加，收腰管腰部的空氣速度降低。

圖6 不同翅片等值面速度流線圖對比Fig.6 Comparison of isosurface velocity streamlines for different fins

2.2 弧形渦發生器的阻力性能分析

圖7 是4 種翅片在2～14 m/s 的7 個工況（步長2 m/s）下空氣的進出口壓降，壓降越大表明翅片對空氣的阻力越強。由圖7 可以看到，各翅片壓降隨空氣速度的增加而增大。渦發生器的設置不可避免地增加了空氣壓降，在各風速下，帶有弧形渦發生器設置的翅片壓降均高于平翅片，且隨著空氣入口速度的提高壓降差距增大。其中，弧形渦發生器3#的壓降最大，其次是弧形渦發生器2#和1#。當空氣入口速度為14 m/s 時，弧形渦發生器3#相比于弧形渦發生器2#、1#和平翅片，壓降上升了3.3%、7.8%和12.0%。

圖7 不同翅片空氣進出口壓降Fig.7 Pressure drop at air inlet and outlet of different fins

2.3 綜合性能評價

通過上文數據分析可得，弧形渦發生器對空氣流動的改變確實增強了散熱能力，但也增加了空氣壓降。在實際應用中，不僅要考慮傳熱性能，還要考慮到壓降增大對整個系統的負面影響，所以對一種新型翅片需要綜合評價（PEC）。綜合評價因子表達式為

式中：Nu0、Nu——平翅片和設置渦發生器翅片表面的平均努塞爾數；ξ0、ξ——平翅片和設置渦發生器的空氣側平均阻力系數。

平均阻力系數的計算公式為

式中：ΔP——散熱單元的進出口壓降，Pa；de——散熱單元的當量直徑，mm；L——散熱單元的長度，mm。

綜合評價因子的評價標準是η是否大于1，若η＞1 表示綜合傳熱能力強于平翅片，若η＜1 則綜合傳熱能力弱于平翅片。圖8 為各設置弧形渦發生器的翅片在不同空氣入口速度下的綜合評價因子。各翅片的綜合評價因子在空氣入口速度2～8 m/s 時隨空氣入口速度的增大而增大，其中弧形渦發生器2#的綜合評價因子最高，峰值達到1.07。隨著空氣入口速度的繼續增加，各翅片的綜合評價因子降低，但均大于1。比較結果為：弧形渦發生器2#＞弧形渦發生器3#＞弧形渦發生器1#。這說明弧形渦發生器的設置確實在實際工程中提高了綜合傳熱能力，且相比于弧形渦發生器3#，弧形渦發生器2#在保證相似的傳熱能力的情況下壓降更小，故其綜合性能最好。

圖8 弧形渦發生器1#、2#和3#的綜合評價因子對比 Fig.8 Comparison of comprehensive evaluation factors of arc vortex generator 1#,2# and 3#

3 結論

散熱器的翅片結構能對散熱器的散熱性能產生重要影響，通過數值研究平翅片、弧形渦發生器1#、2#、3#這4 種結構的翅片，得到以下結論：

（1）相較于平翅片，弧形渦發生器1#、2#、3#通過對空氣流場的影響，均提高了其傳熱效率。同時，壓降不可避免地增大；（2）通過設置渦發生器的方式確實提升了翅片的綜合散熱能力，但不與空氣速度成線性關系，在風速8 m/s 時達到各翅片綜合評價因子的峰值；（3）通過數值研究驗證了弧形渦發生器的設置對傳熱能力的增強，弧形渦發生器與收腰管之間的相對位置還應該通過數學方式設置更為詳細的梯度，并使用綜合評價因子研究最佳的相對位置；（4）雖然通過數值模擬對弧形渦發生器的傳熱性能進行了定性分析，但缺少實驗數據對比，還應進行相應的風洞實驗進一步論證。