新時期基于應力原理的新型汽車散熱器設計研究

李高余

（南寧八菱科技股份有限公司，廣西 南寧 530007）

0 引言

汽車散熱器是汽車安全和穩健性駕駛的重要組成部件，是汽車水冷發動機冷卻系統的重要組成。汽車散熱器的存在，可以保證汽車發動機保持非過熱現象，使得汽車發動機可以在安全和舒適的溫度下，保證正常且安全的行駛工作。汽車行駛過程中發動機會產生振動，散熱器扁管會因為發動機振動產生應力作用。如果流體流速不同很容易導致應力集中現象，使得散熱器扁管出現爆裂或者裂紋現象。基于應力原理的新型汽車散熱器設計理念，可以對散熱器進行合理的設計和改造，保證汽車散熱器合理化散熱效果，保證汽車駕駛的安全性和可靠性運行。

1 汽車散熱器應力原理分析

汽車在正常的駕駛過程中，往往會由于運動產生大量的熱量。而汽車駕駛熱量需要及時進行傳導和散熱，否則將會對汽車各部件正常運行產生直接影響。汽車發動機熱量的散除，一般都是利用汽車散熱器進行熱量散發，這樣才可以保證發動機溫度的平穩性，保證發動機正常行駛和安全運轉。汽車散熱器運行中，往往需要借助扁管作用，使得冷卻液可以緊跟散熱器進行可持續性循環，將冷卻液貫穿至各個部件當中，達到溫度降低的目的。汽車散熱器外部的風扇，也可以實現對發動機高熱量的對流換熱，直接將高溫熱量帶走，同樣也可以實現汽車發動機降溫的目的，保證汽車在行駛過程中保持安全和穩定狀態[1]。

2 汽車散熱器散熱流程及應力原因分析

2.1 汽車散熱器散熱流程

目前來看我國國內汽車生產制造商，在汽車散熱器構件設計上，往往是趨于統一的。國內市面上的汽車散熱器組件，往往是由如下核心組件組成的：上水室、下水室、防凍液出入口、散熱帶、扁管等。其中，扁管往往是放置在上下室的中間位置，而扁管中間則會直接穿插散熱帶，使得各個構件之間相互聯系和相互影響。汽車在正常的駕駛過程中，發動機往往會產生大量的熱量，防凍液受到高溫影響，會直接從防凍液入口，直接轉移到上水室。高溫化的防凍液在經過散熱器扁管的時候，扁管散熱帶會直接發揮作用，將溫度上升的防凍液進行二次冷卻恢復。冷卻后的防凍液會直接流入下水室，然后再回到汽車發動機系統中[2]。以此周而復始，保證防凍液始終發揮好溫度冷卻作用，保證汽車發動機始終保持在適當溫度狀態，促使汽車發動機進行穩定和安全工作。然而從各地區汽車生產制造商數據反饋來看，汽車散熱器扁管在運行過程中，往往會出現裂紋或爆裂，尤其在高溫天氣當中，散熱器扁管發生散熱器扁管概率更高。散熱器扁管爆裂會對汽車散熱器散熱功效發揮，對汽車發動機正常運行產生消極影響。

2.2 汽車散熱器應力原因分析

汽車散熱器應力問題的產生，其實與汽車散熱器組件和結構緊密相關。汽車散熱器應力集中問題的產生，從根源上講，主要有兩種原因：①汽車散熱器扁管擁有彎面和平面，汽車防凍液進入管道的時候，液體的分布不會是均勻的，而且液體的流速也不會均勻的。如果防凍液進入入水口時，流速過快或者流量過大的話，則很容易出現應力集中現象發生。②在防凍液流入進入上水室時，或者防凍液從下水室流出時，防凍液所遇到的截面也會存在著較大的差異。在較大截面差異作用下，也會導致應力集中現象的發生[3]。通過相關數據調查及實驗模擬，可以看出散熱器出入水口中，所承受的集中應力，要比其他位置和部件高出3～4 倍左右。換句話說，散熱器出入水口兩個位置，散熱器扁管需要承受住更強集中應力。在高強度集中應力作用下，汽車散熱器扁管往往會出現裂紋或者爆裂現象，進而影響到汽車散熱器安全性和可靠性，影響到汽車發動機正常運轉。

3 基于應力原理的汽車散熱器設計原則

對于汽車駕駛運行而言，其實汽車很多設備零部件，往往是在循環荷載力作用下進行的。汽車循環荷載力的應力，往往要比設備材料的屈服強度要差一些。一旦汽車設備儀器在循環載力下出現斷裂，其實就是疲勞運作。汽車零部件在長期超負荷作用下，很容易出現失效問題，隨著時間的推移反而會出現開裂或者裂紋問題。對于新型汽車散熱器設備而言亦是如此。為了進一步解決汽車散熱器零部件疲勞問題，在進行汽車散熱器設計時，往往需要堅持3 個基本的原則和準則：①汽車散熱器設計原則，即要堅持不限壽命的設計原則。在進行汽車散熱器零件抗疲勞設計時，要始終堅持不限壽命的設計原則，要求散熱器零部件設計應力，要比其疲勞極限值低一些，這樣可以極大程度上延長汽車散熱器的使用壽命[4]。②汽車散熱器設計原則，即安全壽命的設計原則。安全壽命的設計原則，具體指的是，汽車散熱器進行抗疲勞設計時，要保證散熱器零部件，在規定的年限內進行安全使用，保證散熱器零部件工作應力，超過其疲勞極限值，同時也可以保證散熱器及其零部件，保持質量減輕的狀態。③汽車散熱器設計原則，即失效的安全設計原則。汽車散熱器超負荷運作過程中，散熱器扁管往往會出現疲勞裂紋，需要定期對散熱器扁管進行檢查。汽車散熱器零部件裂紋出現，一般情況下，不會導致整個散熱器結構的損壞。但是如果不定期或者及時檢修和檢修，很容易造成散熱器扁管裂紋的進一步擴展。因此，現代化汽車散熱器設計時，要進行失效安全性設計，從結構上處理保證散熱器荷載力的安全化轉移[5]。

4 基于應力原理的新型汽車散熱器設計思路

4.1 新型汽車散熱器整流罩設計

為進一步提高汽車散熱器功效發揮，降低扁管所受應力，實現散熱器扁管內液體量均衡性，保證流體速度適宜化，可以在原有汽車散熱器上下水室位置，直接增加一個整流罩。整流罩的安裝位置主要是有兩處，一處是上水室位置，一處是下水室位置。對于上水室而言，可以將整流罩可以直接安裝在冷卻液入口與散熱器扁管芯體鏈接處。對于下水室而言，可以將整流罩安裝在冷卻液出口和散熱器扁管芯體之間，這樣的安裝位置處理方式，可以保證冷卻液在散熱器扁管中的均衡性流動，從而大大提高了汽車散熱器的散熱性能和效果[6]。與此同時，通過整流罩設備的安裝，還可以進一步提高汽車散熱器的運行效率和運行強度，提高汽車散熱器的使用壽命。對于汽車散熱器設計工作而言，整流罩設計是關鍵性的部分。整流罩設計主要分為兩大部分，一個是上整流罩設計，另一個是下整流罩設計。對于上整流罩設計而言，要將整流孔按照入水口大小，直接圓孔設計類型。將上整流罩按照平面寬度方向，直接進行等分六排圓孔設計。其中最小的圓孔直徑，可以設置為上整流罩寬度的1/18。而最大圓孔直徑，要設計為最小圓孔直徑的兩倍左右，使得最小圓孔和最大圓孔直徑，呈現出等差數列遞增模式[7]。整流型散熱器結構如圖1 所示。

圖1 整流型散熱器結構

4.2 Fluent 數值模擬及相關優化設計

在對汽車散熱器進行新型設計時，要對散熱器進行Fluent 數值模擬分析，根據數據信息分析結果，計算出散熱器相關問題產生的根結。例如，對于散熱器計算區域，要根據汽車散熱器內部液體的流動范圍來進行計算，進而選擇合適的湍流模型進行模擬實驗測算與操作。

4.2.1 數值模擬仿真設計

設計人員在傳統處理器操作當中，往往需要對新型的散熱器模型進行設計優化。然而，在傳統的散熱器設備，很難實現對冷卻液流速和流量的合理化管控，尤其在汽車散熱器上水室和下水室出入的時候，對于冷卻液流速和流量的控制價，將會更加高難度控制。根據現代化新型汽車散熱器的設計需要，在進行傳統處理器操作中，可以直接在處理器中加入整流罩模型，進而繼續重新開始試驗。根據最新試驗結果和試驗數據信息對比，通過多次試驗操作模擬，得出最精準的模擬化數據信息，進而得到最為及時化和最為精準化的數值信息。汽車散熱器湍流模型的設計，是一個非常復雜且細致的過程[8]。設計人員不僅要對汽車散熱器模型進行提前繪制，而且還要借助處理器Gambit 進行數值計算。與此同時，要將散熱器水室和扁管進行分割。可以通過網格分割設計方法，對現有汽車散熱器網格質量狀態進行劃分。對于汽車散熱器出水口和進水口的設計，也是根據網格設計方法應用，通過讀入網格文件對網格數值進行審查。可以利用不同顏色來表示出出水口和入水口不同流速，進而觀察到汽車散熱器整個冷卻液速度變化。

4.2.2 數值模擬仿真結果

根據數值模擬仿真模擬實驗中得到的相關數值和信息，結合流體動力學基本原理，則可以直接測算出防凍液在汽車散熱器上下水室、散熱器扁管中的流動速度和流動效率。根據以往數值模擬仿真實驗經驗，防凍液在不同的位置，其流動速度和流動量是不同的，而且不同位置和不同構件之間，存在著較大的差異。例如，防凍液在上下水室位置流動速度較快，而在其他位置則流動速度較慢。通過數值模擬仿真實驗可以得出，在汽車散熱器中添加整流罩，具有很強的提速增效作用。尤其在汽車散熱器添加整流罩后，無論是散熱器防凍液流量還是流速，都得到了明顯的改善。而沒有增添汽車散熱器整流罩，則不管是在上水室還是下水室，防凍液的漩渦依然不明顯，而且漩渦對防凍液的流速產生直接性的影響[9]。

4.2.3 實際測試驗證分析

要想保證新型汽車散熱器散熱功效的有效發揮，單純的依靠Fluent 數值模擬實驗是完全不夠的，也需要在Fluent 數值模擬實驗結果基礎上，對汽車散熱器散熱效果進行實際測試，從而得到相應的散熱效果測試數據信息。實際測試驗證人員，可以將新型的汽車散熱器內，直接加入整流罩，對汽車散熱器散熱效果進行實際測試。可以通過多次循環試驗測試，得出精準的散熱效果試驗數據。并且將測試驗證數據信息，直接與Fluent 數值模擬實驗數據進行對比，從而進一步驗證出整流罩在汽車散熱器中的散熱效率提升效果。無論是利用Fluent 數值模擬實驗，還是利用實際測試驗證，其測試結果基本一致：即加入了整流罩以后的新型汽車散熱器，可以為新型汽車發動起進行適宜化的降溫處理，而且還可以極大程度上防止汽車散熱器出現爆裂或者裂紋等問題的發生[10]。

5 結語

綜上所述，現代化汽車制造與設計的創新與發展，使得汽車發動機工作量處于超負荷狀態。新型汽車的出現，對于汽車散熱器的質量和體積，有了更加嚴格和精細的要求。汽車散熱器設計，不僅要保證良好的散熱性能，而且還要保證散熱器結構強度性和使用壽命延續性。現代化汽車的制造與設計，要在應力原理基礎上，進行新型汽車散熱器設計，保證散熱器防凍液流速均勻性，減少散熱器扁管爆裂概率，進而大大提高現代化汽車散熱器的使用壽命延長和經濟效益提升。