基于CFD汽車散熱器管口位置對(duì)性能影響的研究

吳兆亮　侯海焱　尤韋娜

摘 要：文章研究對(duì)象為汽車散熱器。通過CFD仿真分析，得出散熱器的進(jìn)出口管口設(shè)置在不同位置時(shí)散熱器的內(nèi)部流動(dòng)阻力和流量分布均勻性的區(qū)別。基于CFD研究結(jié)果，通過制作不同進(jìn)出口位置散熱器的手工樣件在臺(tái)架進(jìn)行測(cè)試，得到不同管口設(shè)置的散熱器的實(shí)測(cè)性能區(qū)別。結(jié)果表明：當(dāng)進(jìn)出口水管位置設(shè)置不合理會(huì)對(duì)散熱器水阻帶來翻倍的影響。通過CFD研究和樣件實(shí)測(cè)，為指導(dǎo)汽車散熱器的進(jìn)出口水管位置設(shè)計(jì)提供了優(yōu)化方向。

關(guān)鍵詞：汽車散熱器 進(jìn)出口管口位置 散熱器水阻 流量分布均勻性

1 引言

汽車散熱器無論對(duì)于傳統(tǒng)燃油車發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻還是新能源電動(dòng)車電驅(qū)冷卻都是不可缺少的重要部件。散熱器通過循環(huán)冷卻液與外界空氣對(duì)流進(jìn)行熱交換，帶走系統(tǒng)冷卻水路內(nèi)的熱量，保證系統(tǒng)在任何工況下都能維持在合適的溫度工作。

散熱器的流阻是散熱器性能的重要判定指標(biāo)。如果散熱器的流阻越大，不僅會(huì)造成水泵的消耗功率增大，而且在系統(tǒng)內(nèi)會(huì)影響到散熱器的流量工作點(diǎn)，間接導(dǎo)致散熱器在系統(tǒng)內(nèi)的實(shí)際換熱性能降低。因此降低流體流經(jīng)散熱器的壓力損失是散熱器設(shè)計(jì)的至關(guān)重要的環(huán)節(jié)。本文主要研究在散熱器芯體尺寸不變的前提下，改變散熱器進(jìn)水口和出水口位置對(duì)散熱器流阻的影響。

國(guó)內(nèi)外的學(xué)者針對(duì)散熱器的流阻做了相關(guān)研究：文獻(xiàn)[1-2]基于CFD仿真分析結(jié)合試驗(yàn)得到散熱器不同布置形式對(duì)冷卻性能的影響，相對(duì)于橫向同種材料布置、縱向同種材料布置，縱向異種材料布置，文章研究得出橫向異種材料布置形式的散熱效果最佳；文獻(xiàn)[3]基于CFD搭建了散熱器的分析模型，對(duì)散熱器的流動(dòng)特性進(jìn)行研究。根據(jù)最小熱阻理論，流體會(huì)選擇阻力最小的路徑；文獻(xiàn)[4]采用數(shù)值模擬的方法通過設(shè)計(jì)不同散熱器進(jìn)出口布置方式，對(duì)微散熱器內(nèi)流量分配和傳熱進(jìn)行研究，I型微通道散熱器的通道內(nèi)流量分布相對(duì)比較均勻且呈對(duì)稱分布，Z型微通道散熱器的通道內(nèi)流量分布均勻性相對(duì)較差；文獻(xiàn)[5]通過CFD模擬分析散熱器流場(chǎng)，基于響應(yīng)面方法得到冷卻液進(jìn)出口目標(biāo)參數(shù)對(duì)于散熱器進(jìn)出口壓降的回歸方程，最終得到優(yōu)化的進(jìn)出口布置使散熱器可以獲得最小壓降；文獻(xiàn)[6]采用流體仿真模型分別研究散熱器水口雙側(cè)與單側(cè)設(shè)計(jì)在不同流量下的流阻特性分析，結(jié)果表明在相同工況下雙側(cè)進(jìn)出口設(shè)計(jì)流阻特性更優(yōu)。文獻(xiàn)[7]通過CAE軟件對(duì)水路的分析結(jié)合試驗(yàn)數(shù)據(jù)論證，研究散熱器排氣管位置布置在散熱器進(jìn)水側(cè)和出水側(cè)兩種情況下對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)溫升的影響。

2 CFD仿真分析

2.1 網(wǎng)格模型

基于散熱器不同進(jìn)口位置設(shè)計(jì)的的模型網(wǎng)格如下：

本文CFD模擬采用FLUENT作為計(jì)算軟件，并通過網(wǎng)格無關(guān)性測(cè)試確保網(wǎng)格數(shù)量對(duì)于結(jié)果的精度不會(huì)產(chǎn)生影響。在散熱器模型的進(jìn)出口位置設(shè)置了拉伸網(wǎng)格來確保進(jìn)口和出口端的流動(dòng)穩(wěn)定性。

2.2 數(shù)學(xué)模型

本次CFD模擬計(jì)算選用FLUENT軟件自帶的K-Eplison模型，不考慮換熱情況下，模型滿足三大基本方程，即1）質(zhì)量守恒方程2）動(dòng)量守恒方程3）能量守恒方程； 在本次CFD模擬計(jì)算中不考慮重力作用。

2.3 邊界條件

在設(shè)置邊界條件時(shí)，入口邊界條件采用質(zhì)量流量入口，方向垂直于散熱器進(jìn)水口平面，流量數(shù)值按照20L/min，40L/min，60L/min換算設(shè)置；介質(zhì)的物性參數(shù)查表按照60℃下的50%乙二醇配比冷卻液密度和粘度設(shè)置，密度設(shè)置為1041.48kg/m3，粘度設(shè)置為0.0014kg/m-s；出口邊界條件采用標(biāo)準(zhǔn)壓力出口。

2.4 CFD壓降分析

通過對(duì)不同進(jìn)口位置散熱器模型的CFD壓降分析，發(fā)現(xiàn)進(jìn)口位置對(duì)于散熱器的流阻影響明顯，圖2所示為不同進(jìn)口位置下散熱器流阻的對(duì)比情況：

從CFD壓降對(duì)比數(shù)據(jù)可以看到，上進(jìn)上出的散熱器模型在流動(dòng)阻力上遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于下進(jìn)上出模型。在低流量情況下，上進(jìn)上出方案的阻力幾乎比下進(jìn)上出方案高出一倍。隨著流量的增加，阻力差距趨于平緩。

2.5 CFD流動(dòng)均勻性分析

本文采用均勻度指數(shù)Uniformity Index來評(píng)價(jià)不同進(jìn)口位置對(duì)流動(dòng)均勻性的分析。該評(píng)價(jià)指標(biāo)是Weltens等建立的一種流場(chǎng)速度均勻性評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，基于統(tǒng)計(jì)偏差定義，能夠反映流通截面的流體速度分布特性。Uniformity Index的計(jì)算公式如下[7]：

Uniformity Index=1-

其中，n為換熱器內(nèi)扁管總根數(shù)；為總流量平均到每根扁管內(nèi)的流量；為每根扁管內(nèi)的實(shí)際流量。

圖３所示為不同進(jìn)口位置模型下CFD計(jì)算的散熱器每根扁管內(nèi)流量分布對(duì)比：

對(duì)比均勻度指數(shù)數(shù)值如表１所示。

由計(jì)算結(jié)果可知，下進(jìn)上出方案的均勻度指數(shù)更高，說明下進(jìn)上出方案的散熱器芯體各個(gè)扁管內(nèi)的流量更趨于一致，對(duì)于散熱器來說芯體內(nèi)的流動(dòng)更均勻。通過前期的CFD仿真研究，對(duì)不同進(jìn)口模型下的散熱器方案有了初步的數(shù)據(jù)積累和趨勢(shì)判斷，給到樣件制作方案充足的理論參考依據(jù)。

3 試驗(yàn)分析

3.1 試驗(yàn)方案

本文研究的散熱器手工樣件芯體尺寸（長(zhǎng)x 高 x 厚）：650mm x 330mm x 16mm，散熱器的進(jìn)出水口設(shè)置和CFD仿真分析的方案保持一致。臺(tái)架試驗(yàn)在汽車散熱器性能試驗(yàn)臺(tái)進(jìn)行，采用和整車保持一致的50%乙二醇配比冷卻液。實(shí)驗(yàn)過程中通過試驗(yàn)臺(tái)各個(gè)零部件的系統(tǒng)匹配、參數(shù)調(diào)節(jié)和迭代計(jì)算，得出熱平衡下的水阻、風(fēng)阻和散熱量等實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。散熱器的試驗(yàn)設(shè)置如圖４。

3.2 試驗(yàn)結(jié)果和分析

試驗(yàn)工況：風(fēng)側(cè)參數(shù)為風(fēng)速4m/s，空氣溫度20℃；冷卻液側(cè)參數(shù)為冷卻液溫度60℃，冷卻液流量20L/min，30L/min，40L/min。在試驗(yàn)過程中監(jiān)控冷側(cè)流體和熱側(cè)流體的各項(xiàng)數(shù)據(jù)，直到達(dá)到熱平衡后取得試驗(yàn)數(shù)據(jù)如圖５：

從試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析可以發(fā)現(xiàn)，在臺(tái)架測(cè)試下散熱器不同位置進(jìn)水口設(shè)置對(duì)于散熱器的換熱量幾乎不會(huì)帶來變化，但是一個(gè)不利于散熱器芯體流量分布均勻性的進(jìn)口管位置會(huì)導(dǎo)致散熱器的流阻大幅增加。 在整車系統(tǒng)條件下，更大的流阻會(huì)導(dǎo)致散熱器的工作點(diǎn)偏移，水泵揚(yáng)程與阻力的交點(diǎn)決定了散熱器可以獲得的流量。散熱器的介質(zhì)流動(dòng)阻力越大，散熱器在系統(tǒng)內(nèi)獲得的流量越底。因此在試驗(yàn)臺(tái)架上雖然相同流量下兩個(gè)不同進(jìn)水口設(shè)置的散熱器性能幾乎沒有偏差，但是在整車系統(tǒng)內(nèi)考慮到阻力與流量的匹配，最終上進(jìn)上出的散熱器方案在系統(tǒng)內(nèi)獲得的流量會(huì)低于下進(jìn)上出的散熱器方案，進(jìn)而導(dǎo)致上進(jìn)上出的散熱器方案換熱能力低于下進(jìn)上出的散熱器方案。對(duì)于我們本次研究的對(duì)象而言，當(dāng)散熱器一個(gè)水口設(shè)置在上側(cè)時(shí)，另一個(gè)水口的設(shè)置最好呈對(duì)角線布置在下側(cè)。這樣設(shè)置下的散熱器從進(jìn)口到出口沿各個(gè)扁管流通路徑下的流動(dòng)阻力更均勻，沒有明顯因?yàn)榱鲃?dòng)路徑長(zhǎng)短區(qū)別出現(xiàn)芯體內(nèi)局部扁管流量增大，而其他位置扁管流量減少的現(xiàn)象。

4 結(jié)論

本文通過對(duì)散熱器不同進(jìn)口位置的設(shè)計(jì)進(jìn)行CFD仿真分析，得到冷卻液在散熱器芯體內(nèi)的流動(dòng)分布情況和流動(dòng)阻力數(shù)據(jù)，結(jié)果可知：散熱器的不同進(jìn)水口位置對(duì)散熱器的流阻性能影響很大，考慮到整車布置的接管排水便利性，進(jìn)出水口相對(duì)芯體呈對(duì)角線布置，散熱器芯體的流量分布均勻性最佳并且散熱器的流動(dòng)阻力最小；以CFD分析結(jié)果為指導(dǎo)，采用臺(tái)架實(shí)測(cè)的方法對(duì)不同進(jìn)口位置的散熱器手工樣件做實(shí)驗(yàn)研究，試驗(yàn)測(cè)試結(jié)果與模型仿真分析結(jié)果趨勢(shì)一致，證明我們仿真分析的可靠性與準(zhǔn)確性。為今后設(shè)計(jì)散熱器的進(jìn)出口管口布置提供了重要參考依據(jù)。

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