新型收腰管散熱器散熱性能的數(shù)值模擬研究*

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(貴州大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，貴州 貴陽 550025)

1 概述

散熱器是汽車?yán)鋮s系統(tǒng)的核心部件，散熱器性能好壞直接影響汽車發(fā)動(dòng)機(jī)的散熱效果及其動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性和可靠性,乃至正常工作和安全行駛的問題。當(dāng)今汽車散熱器的主體就是鋁質(zhì)裝配式散熱器和鋁質(zhì)管帶式焊接散熱器，傳統(tǒng)的焊接散熱器在散熱帶與散熱管之間采用焊接連接，在最大程度上消除了部件間的導(dǎo)熱熱阻，使其具有極佳的傳熱性能。

圖1 管片裝配式散熱器

但是本文應(yīng)用的管片裝配式散熱器在加工全程采用機(jī)械式加工，對(duì)環(huán)境無污染無危害，流水線作業(yè)，生產(chǎn)效率高，相對(duì)焊接式產(chǎn)品成本較低，擁有更佳的性價(jià)比。圖1為管片裝配式散熱器爆炸示意圖。

從圖1可以看出，裝配式散熱器由冷卻水管和散熱片構(gòu)成，兩端分別是進(jìn)水管和出水管。散熱器的散熱過程是水冷卻液流經(jīng)發(fā)動(dòng)機(jī)帶走發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行時(shí)產(chǎn)生的熱量，自身水溫升高，再經(jīng)進(jìn)水管流入散熱器，通過外部冷卻空氣和散熱器本身的共同作用，使散熱管里面的水冷卻液溫降低，經(jīng)出水管回流入發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行循環(huán)冷卻。所以為了提高散熱器的熱交換性能，主要是對(duì)散熱管和散熱片的主要結(jié)構(gòu)參數(shù)的優(yōu)化[1]。本文對(duì)提高散熱器散熱性能的結(jié)構(gòu)優(yōu)化主要是對(duì)散熱管參數(shù)的優(yōu)化。而對(duì)散熱管主要考慮管道截面形狀。散熱管截面形狀主要有圓管、橢圓管、扁管等形式。早期產(chǎn)品中，圓管與橢圓管形狀應(yīng)用較多。傳統(tǒng)的圓管型散熱管工藝性良好，制造成本低，設(shè)備的投入較小，且入門門檻較低，廣泛應(yīng)用于排量較小的車輛中。橢圓管和扁管是由相同周長的圓管壓制而成，圖2為一種扁管的截面示意圖。參數(shù)hi/Di的大小表示圓管被壓扁的的程度。hi/Di的值越小，基管被壓扁的程度就越大。

近來大眾公司全新MQB平臺(tái)提出了一種新型的散熱管—收腰扁管[2]，圖3為收腰管的結(jié)構(gòu)示意圖。收腰扁管獨(dú)特在于：在同等流通面積下，散熱管外沿周長最長，管徑當(dāng)量直徑更小，管內(nèi)流體換熱效率提升；同時(shí)由于“收腰”的原因，增加了散熱片面積；收腰結(jié)構(gòu)能夠促進(jìn)流體的渦流，引起管壁臨界層的分離，使得整個(gè)產(chǎn)品具有較高的換熱能力。而本文主要是對(duì)一種新型收腰管型的散熱器進(jìn)行三維仿真性能分析。驗(yàn)證這種改進(jìn)的新型收腰管型散熱器與橢圓管和扁管散熱性能方面的優(yōu)良[3-4]。

2 物理模型及計(jì)算區(qū)域

管片式裝配式散熱器由冷卻水管和散熱片構(gòu)成，在散熱片上按水管的截面形狀和尺寸，以一定方式?jīng)_孔，再將它并列套在散熱管上，最終在拉脹一體機(jī)上面對(duì)散熱管和散熱片進(jìn)行拉脹工藝，使散熱管與散熱片緊密無縫隙接觸。如圖4、圖5給出了收腰管型和橢圓管型散熱器內(nèi)部芯體局部散熱單元。

散熱器的換熱過程是一個(gè)復(fù)雜的流動(dòng)換熱過程，在CFD計(jì)算時(shí)設(shè)定水散熱器為三維不可壓縮、穩(wěn)態(tài)、湍流流動(dòng)，且流體的流動(dòng)和傳熱滿足：質(zhì)量守恒定律(連續(xù)方程)、能量守恒定律、動(dòng)量守恒定律(N-S方程)[6]。

基本方程：

質(zhì)量守恒方程：單位時(shí)間內(nèi)流體微元體中質(zhì)量的增加，等于同一時(shí)間間隔內(nèi)流入該微元體的凈質(zhì)量。

式中：ρ是密度，t是時(shí)間，u是速度矢量，u、v、w是速度矢量u在x、y、z方向的矢量。

動(dòng)量守恒定理：微元體中流體的動(dòng)量對(duì)時(shí)間的變化率等于外界作用在該微元體上的各種力之和。

能量守恒方程：微元體中能量的增加率等于進(jìn)入微元體的經(jīng)熱流量加上體力與面力對(duì)微元體所做的功。

式中：Cp是比熱容，T為溫度，k為流體的傳熱系數(shù)，ST為流體的內(nèi)熱源及由于粘性作用流體機(jī)械能轉(zhuǎn)換為熱能的部分。

3 邊界條件及數(shù)值解法

本文研究中忽略了空氣流經(jīng)翅片的流動(dòng)和傳熱，只考慮冷卻液在散熱管中的流動(dòng)和換熱。散熱管280 mm，而冷卻液在管內(nèi)的溫度均勻降低，取最薄的散熱管片體單元進(jìn)行研究，根據(jù)實(shí)驗(yàn)散熱管內(nèi)冷卻液的溫度為70-85℃，取75℃作為散熱器管壁溫度邊界條件施加。

三種不同管型采用相同周長，相同散熱面積的管截面二維分析模型。左面為空氣入口方向，右面為空氣出口方向。具體邊界條件定義如下[7]：

1)空氣入口設(shè)為速度入口邊界條件，設(shè)置向右方的空氣速度為4 m/s，空氣溫度為25℃；

2)空氣出口設(shè)定為壓力出口邊界條件；

3)散熱管壁面設(shè)定為固定溫度壁面，模擬水的溫度，設(shè)定為75℃；

4)空氣對(duì)稱面設(shè)定為對(duì)稱邊界條件；

5)其余壁面未加以說明的均考慮為絕熱壁面；

6)考慮湍流對(duì)流動(dòng)與傳熱的影響因此選用k-ε方程模型，傳熱模型選擇Energy模塊，選擇standard類別，SIMPLE算法。為保證收斂精度，定義收斂條件為能量的殘差絕對(duì)值小于1.0×10-7，并且其他變量的殘差絕對(duì)值小于1.0×10-5。

4 計(jì)算結(jié)果與仿真分析對(duì)比[8]

對(duì)收腰管、橢圓管、扁管散熱器分別建立完整換熱單元并求解之后，輸出不同散熱管型的三維模型的速度場(chǎng)、溫度場(chǎng)、壓力場(chǎng)結(jié)果加以分析比較。

4.1 內(nèi)部流動(dòng)壓力云圖對(duì)比分析

由圖5可以看出，在三種管型當(dāng)中同樣的流通長度，相同位置橢圓管的壓降要小于扁管小于收腰管，而在散熱器的散熱性能方面，要求壓降越小越好，所以可以看出三種管的散熱性能是收腰管的最好。

4.2 內(nèi)部流動(dòng)速度矢量對(duì)比分析

因?yàn)楣鼙跍囟纫h(yuǎn)大于空氣溫度，從速度矢量圖紅色區(qū)域的長度可以看出收腰管散熱效率高于扁管，高于橢圓管。且在收腰管管壁中心凹陷的部分溫度低于扁管、橢圓管中心部分溫度，在每個(gè)圖形的兩管之間也有明顯的渦流形成，且收腰管的要多于扁管和橢圓管。相同的條件下，更多的渦流可以帶走更多的熱量。

圖5 壓力云圖 圖6 速度矢量圖

4.3 傳熱量數(shù)據(jù)分析

圖7 不同管型在不同入口速度下的出口熱量

分別以出口熱量(W)、管傳熱量(W)為指標(biāo)。采用圖表對(duì)比分析法對(duì)各影響因素進(jìn)行分析。

由計(jì)算結(jié)果可得：管壁的傳熱量比出口的傳熱量稍微高一點(diǎn)，減去內(nèi)部的能量損失，符合能量守恒定理。

表1 不同管型在不同入口速度下的出口熱量

5 結(jié)論

1)本文使用CFD軟件對(duì)圓管、橢圓管、收腰管的散熱器建立了最簡散熱單元的三維仿真計(jì)算。得到了散熱單元流場(chǎng)的內(nèi)部流動(dòng)細(xì)節(jié)和散熱單元的換熱數(shù)據(jù)。三種管型采用相同周長的圓管壓制而成，外部條件設(shè)置相同，理論數(shù)據(jù)具有極高的依據(jù)。

2)從三種管型的壓力場(chǎng)分布、速度矢量分布、溫度分布和出口熱量、管傳熱量值的結(jié)果，可以看出散熱性能最好的是收腰管，且收腰管>扁管>橢圓管，新型收腰管型散熱器在相同散熱單元里的散熱性能比橢圓管提高11個(gè)百分點(diǎn)，此新型管型散熱器已在實(shí)際生產(chǎn)中得到大量使用。

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