百葉窗翅片結構參數對中冷器散熱性能影響研究

中圖分類號：TK172 文獻標志碼：A文章編號：1006-0316（2025）07-0009-08

Abstract ∵ In order to study the influence of louver fin structural parameters on the heat dissipation performance of intercooler，relevant simulation wascaried out based on ANSYS Fluent.In this study，the turbulence k-ω SST turbulence model selected in Fluent simulation was used to study the influence of louver fin structure parameters such as fin opening Angle，fin thickness and fin spacing on the heat disipation performance of intercooler. The effects of window slit angle of louvre fins （21～33^°） ，thickness （ 0.12～0.21mm ）and spacing L （1.5～2.4mm） on the heat dissipation performance of intercooler when the external wind speed is controlled at 23～38m/s are discussed. The results show that with the increase of slit angle of louvre fins，fin thickness and fin spacing，the heat transfer performance is improved to a certain extent，and the flowresistance is also increased. After the introduction of the comprehensive evaluation index （JF），itisfound that the heat dissipation performance of the intercooler is better when the slit angle of louvre fins is 21^° ，the fin thickness is 0.21mm and the fin spacing is 1.5mm

Key words ∵ louver fin;numerical simulation; comprehensive evaluation

近年來，隨著汽車工業的蓬勃發展，汽車發動機正朝著“高功率、低排放、輕量化”的方向快速邁進，這對冷卻系統提出了更高的要求[1-4]。作為冷卻系統的重要組成部分，散熱器的優化研究具有重要意義。其中，百葉窗翅片結構作為車用冷卻系統中常用的散熱器形式，其結構參數對散熱性能的影響備受關注。深入研究這些參數對提升散熱器效率和優化冷卻系統設計具有重要價值[5-8]。

Shahrin等[通過數值模擬研究發現，在低雷諾數條件下，百葉窗的幾何參數（如翅片間距和窗翅間距）對空氣側換熱性能有顯著影響，表明合理設計這些參數是提升換熱效率的關鍵。Hissein等[1o基于ANSYSFluent模型，研究了雷諾數在 200～1000 范圍內百葉窗翅片的開窗角度和窗翅間距對換熱性能的影響。研究表明，當翅片窗翅間距為 2.02mm 、開窗角度為 22^° 時，散熱器能夠實現良好的換熱性能。周益民等[11]對不同風速條件下開窗角度對換熱性能的影響進行了深入研究。結果表明：在低風速下，開窗角度對空氣側換熱的影響較大；在高風速下，開窗角度的影響相對較小；在相同風速條件下，隨著開窗角度的增大，換熱性能和阻力均會有所提升，但提升幅度因工況而異。

本研究以數值模擬的方法研究百葉窗翅片的開窗角度0、翅片厚度 δ. 、窗翅間距 L_P 等結構參數對于散熱器散熱性能的影響，采用 以及JF作為評價散熱性能的評價指標。

守恒、動量守恒和能量守恒[12]。其具體控制方程如下所示。

（1）質量守恒方程

式中： ρ 為密度； t 為時間； 為速度矢量。

本研究假定流體均為不可壓縮流體，可將式（1）簡化為：

式中： u_i 為速度矢量在 和 z 方向上的速度分量。

（2）動量守恒方程

動量守恒方程在 和 z 方向上的微分形式為：

式中： u_i 和 u_j 分別為速度矢量 在笛卡爾坐標系第 i 和第 j 方向的分量 （i，j=1，2，3 對應 x，y， z 方向）； p 為壓力； μ 為動力粘度； μ_t 為湍流的動粘度。

（3）能量守恒方程

式中： C_p 為定壓比熱容； k_eff 為導熱系數； T 為溫度； （τ_ij）_eff 為偏應力張量。

1建模方法

1.1控制方程

翅片與流體的換熱涉及固體域的熱傳導，固體域的能量方程如下：

本研究中采用傳統的流動和能量方程對散熱器流動傳熱過程進行數值模擬，并遵守質量

k_s?²T=0

式中： k_s 為固體材料的導熱系數。

本文采用 k-ω SST模型，其湍流動能項以及湍流耗散項表示如下[13]：

式中： k 為湍流動能； ω 為湍流比耗散率； μ_T 渦粘系數 為動力渦黏性 ∴τ_ij 為雷諾應力； σ_k 1γ 、 β 、 σ_ω 為模型系數； D_ω 為 k-ω SST模型中特有的修正項。

式中： ε 為湍流動能消散率； β^* 、 σ_ω² 為模型系數； F₁ 為混合函數。

1.2邊界設置

本研究中冷器百葉窗翅片的幾何模型如圖1所示。本文主要討論百葉窗翅片結構變化對于中冷器散熱性能的影響情況，所以對水側的仿真工況固定，主要改變氣側的流速和百葉窗翅片結構。水側進水溫度為 389.1K ，流速為0.47m/s ，氣側進氣溫度為 543K ，風速控制在23～38m/s

使用ANSYS的Fluent模塊進行流體力學的數值仿真計算，針對求解器的條件設置，模型采用廣泛應用于湍流模擬的 k-ω SST模型湍流模型，它在工程和工業領域中具有良好的適用性，方程離散格式采用二階迎風差分格式，殘差設為 10^-5 。

1.3模型驗證

使用FluentMeshing對百葉窗翅片進行網格劃分，為了排除網格數量對仿真結果精度和準確性的影響，因此將開展網格無關性驗證。對仿真的換熱單元進行網格劃分，得到 300×10³ /350×10³ 二 400×10³ 和 450×10³ 四個等級的網格，并調整氣側風速為 23m/s 作為邊界條件進行仿真。結果如圖2所示，氣側的溫度和壓力在隨著網格數量的增加有了一定幅度的變化。特別的，當網格數量從 400×10³ 增加至 450×10³ 時，各個參數的變化幅度較小，在綜合考量了離散計算的誤差以及計算時間之后，選取 400×10³ 網格數量進行后續的仿真計算。

圖1百葉窗一板翅中冷器1、2芯體幾何模型

圖2網格無關性驗證

通過與之前對百葉窗翅片結構的研究進行對比來驗證本研究中湍流模型的準確性，從Chang和Wang的工作[14中選擇了百葉窗翅片結構進行分析，將文獻中得到的試驗 j 因子數據與仿真得到的 j 因子對比。得到結果如圖3所示，可以看出，仿真值的變化趨勢與試驗值的一致性。 j 因子平均誤差為 2.7‰ 由于本研究的目的在于研究百葉窗翅片結構對中冷器散熱性能的影響，因此認為本研究所用的湍流模型是有效的。

圖3仿真值與試驗值對比

圖4j f 在不同開窗角度下隨風速提高的變化情況

2結果與討論

2.1百葉窗翅片結構對散熱器的影響

2.1.1開窗角度

選取翅片的幾何尺寸如表1所示，風速在23～38m/s 范圍內進行數值模擬。開窗角度θ在不同風速下對傳熱因子 j 和阻力因子的影響如圖4所示。

表1百葉窗的翅片幾何尺寸

通過圖4可以得到開窗角度對于 j_? （204 f 的影響，在 23～38m/s 的風速范圍內，將開窗角度從 21^° 增加至 33^° ，相同風速下 j，f 均有了提高，但傳熱因子的提升幅度遠小于阻力因子的提升幅度。說明在研究的開窗角度范圍內，增大開窗角度可以提高散熱器的傳熱性能，但也增加了散熱器的流動阻力，同時開窗角度 θ 變化與傳熱因子 j 相比對于阻力因子 f 的影響更大。這也代表提升開窗角度并不能提升散熱器的散熱性能，相反會給散熱器帶來更大的能量損耗。

圖5是開窗角度為 21^° 和 33^° 時百葉窗翅片溫度梯度的分布情況。隨著開窗角度增大，熱空氣與翅片間熱交換更加充分使得氣側溫度流經翅片后溫度下降更多，與傳熱因子 j 隨著翅片角度增大上升的規律相符合，說明增大開窗角度可以一定程度上強化傳熱。

圖6是開窗角度為 21^° 和 33^° 時百葉窗翅片速度梯度的分布情況。隨著開窗角度增大，熱空氣流經翅片的速度了有明顯提升，流速上升使得摩擦阻力的增大，與 f 因子隨著翅片角度增大上升的規律相符合。說明增大開窗角度不利于傳熱。

圖5開窗角度不同時翅片溫度梯度分布情況

圖6開窗角度不同時翅片速度梯度分布情況

為了更加直觀地展現散熱器綜合性能隨開窗角度增大的變化情況，引入Manglik和Bergles定義的傳熱因子 j 和阻力因子 f 相關聯的無量綱數 JF^[15] 。開窗角度提升對于中冷器散熱綜合性能的影響如圖7所示。

結果表明，在研究的風速范圍內JF隨著窗翅的開窗角度提升而下降，所以中冷器的散熱性能隨著其開窗角度 θ 升高而下降。因此選取較小的百葉窗翅片開窗角度有利于優化中冷器的散熱性能。

2.1.2翅片厚度

圖7JF在不同開窗角度下隨風速提高的變化情況

選取翅片的幾何尺寸如表2所示，風速在23～38m/s 范圍內進行數值模擬。翅片厚度在不同風速下對傳熱因子 j 和阻力因子 f 的影響如圖8所示。

表2百葉窗的翅片幾何尺寸

圖8六 f 在不同翅片厚度 δ 下隨風速提高的變化情況

通過圖8可以得到翅片厚度對于 的影響，在 23～38m/s 的風速范圍內，將翅片厚度δ 從 0.12mm 增加至 0.21mm ，相同風速下 j，f 均有了一定程度的上升，但傳熱因子的提升幅度遠小于阻力因子的提升幅度。說明在研究的翅片厚度范圍內，增大翅片厚度 δ 會提升散熱器的傳熱性能，但也增加了散熱器的流動阻力，同時翅片厚度變化與傳熱因子 j 相比對于阻力因子 f 的影響更大。

圖9是翅片厚度為 0.12mm 和 0.21mm 時百葉窗翅片溫度梯度的分布情況。隨著翅片厚度增大，熱空氣與翅片間的交換面積增大，熱交換也更加充分，使得氣側溫度流經翅片后溫度下降更多，與 j 因子隨著翅片角度增大上升的規律相符合，說明提高翅片厚度可以一定程度上強化傳熱。

圖10是翅片厚度為 0.12mm 和 0.21mm 時百葉窗翅片速度梯度的分布情況。隨著翅片厚度增大，熱空氣流經翅片時的速度維持在更高的水平，流速的提升使得摩擦阻力的增大，與f 因子隨著翅片角度增大上升的規律相符合，這意味著增大翅片厚度不利于傳熱。

圖9翅片厚度不同時翅片溫度梯度分布情況

圖10翅片厚度不同時翅片速度梯度分布情況

翅片厚度 δ 提升對于中冷器散熱綜合性能的影響如圖11所示。結果表明，在研究的風速范圍內JF隨著窗翅的翅片厚度 δ 提升而下降，所以中冷器的散熱性能隨著其翅片厚度 δ 升高而下降。因此選取厚度較小的百葉窗翅片有利于優化中冷器的散熱性能。

圖11JF在不同翅片厚度 δ 下隨風速提高的變化情況

2.1.3窗翅間距

選取翅片的幾何尺寸如表3所示，風速在23～38m/s 范圍內進行數值模擬。窗翅間距在不同風速下對傳熱因子 j 和阻力因子f的影響如圖12所示。

表3百葉窗的翅片幾何尺寸

通過圖12可以得到窗翅間距對于 j，f 的影響，在 23～38m/s 的風速范圍內，將窗翅間距從 1.5mm 增加至 2.4mm ，相同風速下 f 均有了一定程度的上升，但傳熱因子的提升幅度遠小于阻力因子的提升幅度。說明在研究的窗翅間距范圍內，增大窗翅間距提升了散熱器的傳熱性能，但也提高了散熱器的流動阻力，同時窗翅間距變化與傳熱因子 j 相比對于阻力因子 f 的影響更大。

圖13是窗翅間距為 1.5mm 和 2.4mm 時百葉窗翅片溫度梯度的分布情況。隨著窗翅間距增大，熱空氣在翅片間存續時間減少，使得翅片周圍的熱空氣與流經的空氣熱交換更頻繁換熱量增大，與 j 因子隨著翅片角度增大上升的規律相符合，說明提高翅片厚度可以一定程度上強化傳熱。

圖12 f 在不同窗翅間距 L_p"下隨風速提高的變化情況

圖13窗翅間距不同時翅片溫度梯度分布情況

圖14是窗翅間距為 1.5mm 和 2.4mm 時百葉窗翅片速度梯度的分布情況。隨著窗翅間距增大，熱空氣流經翅片時的速度維持在更高的水平，流速的提升使得摩擦阻力的增大，與 f 因子隨著翅片角度增大上升的規律相符合，這意味著增大窗翅間距不利于傳熱。

圖14窗翅間距不同時翅片速度梯度分布情況

窗翅間距提升對于中冷器散熱綜合性能的影響如圖15所示。結果表明，在研究的風速范圍內JF隨著窗翅的窗翅間距提升而下降，所以中冷器的散熱性能隨著其窗翅間距升高而下降。因此選取窗翅間距較小的百葉窗翅片有利于優化中冷器的散熱性能。

圖15JF在不同窗翅間距 L_p 下隨風速提高的變化情況

3結論

本文對于中冷器的百葉窗翅片的結構參數在風速為 23～38m/s 時進行模擬仿真，具體結論如下：

（1）隨著開窗角度的提升，翅片結構的 j 因子、 f 因子都隨之增大，而換熱綜合評價指標JF隨之減小，當開窗角度為 21^° 時，中冷器散熱性能最好。

（2）隨著翅片厚度的增大，翅片結構的 j 因子、 f 因子都隨之增大，而換熱綜合評價指標JF隨之減小，當翅片厚度為 0.21mm 時，中冷器散熱性能最好。

（3）隨著窗翅間距的提升，翅片結構的 j 因子、 f 因子都隨之增大，而換熱綜合評價指標JF隨之減小，當窗翅間距為 1.5mm 時，中冷器散熱性能最好。

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