尖錐形汽車散熱器翅片性能優(yōu)化設(shè)計(jì)

朱茂桃，姚 鵬，田春虎

（江蘇大學(xué)汽車與交通工程學(xué)院，江蘇 鎮(zhèn)江 212013）

1 引言

近年來(lái)，汽車發(fā)動(dòng)機(jī)逐步向高功率化發(fā)展，以及正在興起的電動(dòng)汽車中動(dòng)力電池、電機(jī)及電機(jī)控制器等發(fā)熱元件的使用，需要散熱器帶走的熱量增加；同時(shí)，汽車節(jié)能減排趨勢(shì)對(duì)散熱器提出了輕型、緊湊的設(shè)計(jì)要求。因此，提升散熱器綜合換熱性能，是研究百葉窗翅片式散熱器性能的關(guān)鍵所在。

基于計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)與風(fēng)洞散熱試驗(yàn)的不斷進(jìn)步，國(guó)內(nèi)外學(xué)者不斷尋求精度更高的百葉窗翅片式散熱器性能模擬方法，力求提升百葉窗翅片式散熱器的綜合性能。文獻(xiàn)[1]利用數(shù)值仿真方法分別研究了雷諾數(shù)在（70～350）時(shí)，平直翅片與百葉窗翅片性能隨空氣入口速度與翅片間距的變化情況，并充分證實(shí)了百葉窗翅片在換熱性能中的優(yōu)越性。文獻(xiàn)[2]提出了一種可以在百葉窗中心形成空氣渦流的翅片結(jié)構(gòu)，通過(guò)三維數(shù)值模擬驗(yàn)證優(yōu)化效果的同時(shí)也驗(yàn)證了渦流的換熱強(qiáng)化作用。文獻(xiàn)[3]通過(guò)長(zhǎng)期試驗(yàn)研究后得到了51 組傳熱表面的傳熱和阻力特性數(shù)據(jù)，得到了翅片結(jié)構(gòu)對(duì)于換熱性能的影響規(guī)律，并探究出一種設(shè)計(jì)緊湊式換熱器的理論方法。

提出了一種新型百葉窗翅片結(jié)構(gòu)方案，即將百葉窗設(shè)計(jì)為變厚度的尖錐形結(jié)構(gòu)。在試驗(yàn)的基礎(chǔ)上對(duì)模型的仿真結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證，并依次分析了截面厚度與間距漸變量對(duì)翅片性能的影響規(guī)律，對(duì)比了優(yōu)化后模型與原始模型的性能。

2 散熱器

2.1 散熱器模型

研究對(duì)象為江蘇某散熱器供應(yīng)商提供的一款百葉窗翅片式散熱器，其原始模型，如圖1 所示。該款百葉窗翅片式散熱器主要由左右水室、主板、側(cè)板、百葉窗翅片、扁管及密封圈等結(jié)構(gòu)組成。

圖1 散熱器結(jié)構(gòu)組成Fig.1 Geometric Model of Graph Radiator

2.2 百葉窗翅片換熱模型

百葉窗翅片在散熱器的散熱性能提升中起到關(guān)鍵作用，且多孔介質(zhì)參數(shù)均來(lái)源于百葉窗翅片的性能仿真結(jié)果[4]。百葉窗翅片結(jié)構(gòu)參數(shù)示意圖，如圖2 所示。而具體參數(shù)值，如表1 所示。

圖2 百葉窗翅片結(jié)構(gòu)參數(shù)示意圖Fig.2 Schematic Diagram of the Structural Parameters of Louver Fin

表1 百葉窗翅片結(jié)構(gòu)參數(shù)Tab.1 Structural Parameters of a Louver Fin

為在百葉窗翅片原始模型的基礎(chǔ)上進(jìn)一步減小因氣流沖擊產(chǎn)生的局部阻力，減少氣流邊界層對(duì)換熱的阻礙，以提升翅片的換熱及流動(dòng)性能，提出的尖錐形百葉窗翅片結(jié)構(gòu)，如圖3 所示。此結(jié)構(gòu)主要對(duì)百葉窗片的截面形狀進(jìn)行了改進(jìn)，打破了傳統(tǒng)的百葉窗片結(jié)構(gòu)形式。定義百葉窗片截面的軸線處厚度為δ1、兩端厚度為δ2，且δ1+δ2=2δ，因此，此尖錐形百葉窗翅片結(jié)構(gòu)較原始模型的體積及質(zhì)量并未發(fā)生改變，只會(huì)小幅降低百葉窗片的換熱面積。

圖3 尖錐形百葉窗翅片結(jié)構(gòu)Fig.3 Cone Shaped Louvered Fin Structure

3 散熱器性能仿真

3.1 網(wǎng)格控制

建立百葉窗翅片的計(jì)算模型，在流動(dòng)復(fù)雜的流固交界面區(qū)域進(jìn)行邊界層網(wǎng)格劃分，將百葉窗翅片換熱模型的網(wǎng)格劃分?jǐn)?shù)量確定為124 萬(wàn)。百葉窗翅片換熱模型的邊界條件設(shè)置[5]，如圖4 所示。

圖4 百葉窗翅片換熱模型邊界條件設(shè)置情況Fig.4 Boundary Condition Setting for Heat Transfer Model of Louver Fin

在散熱器整體計(jì)算模型中，采用以多孔介質(zhì)取代百葉窗翅片的簡(jiǎn)化方式，多孔介質(zhì)參數(shù)由翅片換熱模型計(jì)算得到。散熱器仿真散熱效果，如圖5 所示。

圖5 散熱器溫度云圖Fig.5 Temperature Distribution of Radiators

3.2 數(shù)值仿真結(jié)果驗(yàn)證

將風(fēng)洞散熱試驗(yàn)與散熱器換熱模型的數(shù)值模擬的結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果誤差在5%以內(nèi)，驗(yàn)證了散熱器仿真模型的正確性。結(jié)果對(duì)比，如表2 所示。

表2 散熱器出口溫度仿真與試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比Tab.2 Comparison Between Simulation and Experimental Results of Radiator Outlet Temperature

4 百葉窗翅片綜合性能優(yōu)化設(shè)計(jì)

通過(guò)試驗(yàn)對(duì)原始模型仿真方法的正確性進(jìn)行了驗(yàn)證。在此基礎(chǔ)上，對(duì)尖錐形百葉窗翅片的綜合換熱能力進(jìn)行分析。并引用文獻(xiàn)[6]于1984 年提出的j-f 因子評(píng)價(jià)方法，分析了不同的尖錐形百葉窗翅片的結(jié)構(gòu)以及百葉窗間距的性能，最終將優(yōu)化模型與原始模型進(jìn)行對(duì)比。

JF 因子的具體表達(dá)式為[7]：

式中：jref、fref—樣機(jī)的傳熱因子與摩擦因子。

4.1 尖錐形百葉窗翅片結(jié)構(gòu)方案分析

空氣入口流速為10m/s 工況下，尖錐形百葉窗翅片的傳熱因子j 與摩擦因子f 隨中間截面厚度δ1的變化趨勢(shì)，如圖6 所示。

圖6 δ1 對(duì)j 因子與f 因子的影響趨勢(shì)Fig.6 The Influence Trend of δ1 on j Factor and f Factor

可以看出，隨δ1尺寸的遞增，傳熱因子j 的數(shù)值呈現(xiàn)出逐漸減小的趨勢(shì)。這是因?yàn)殡Sδ1的增大尖錐形百葉窗翅片的百葉窗片前緣處間距增大，能夠迫使更多的氣流進(jìn)入百葉窗區(qū)域進(jìn)行換熱；空氣在流經(jīng)百葉窗區(qū)域時(shí)流速不斷變化，且彎折的百葉窗表面有利于破壞邊界層，最終j 因子產(chǎn)生小幅縮減。而摩擦因子f 則隨δ1的增大呈現(xiàn)出較為明顯的降低趨勢(shì)，這主要是因?yàn)楫?dāng)δ1=0.1mm 時(shí)，流向百葉窗方向的氣流與百葉窗厚度方向端面發(fā)生沖擊產(chǎn)生較大的局部阻力，而尖錐形翅片可以減小甚至消除此阻力，有利于流動(dòng)性能的提升。

當(dāng)δ1=0.2mm 時(shí)翅片的綜合性能評(píng)價(jià)因子JF 值達(dá)到最大，此時(shí)JF=1.068，相較于δ1=0.1mm（即原始模型）時(shí)JF 值提升了6.4%。因此，此尖錐形百葉窗翅片結(jié)構(gòu)可在原始翅片基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)綜合換熱性能的進(jìn)一步提升。

4.2 變百葉窗間距結(jié)構(gòu)方案對(duì)比

分析δ1=0.2mm 時(shí)尖錐形百葉窗翅片速度云圖，如圖7 所示。最后一級(jí)百葉窗通道內(nèi)的空氣流量增加，減弱了其他百葉窗片通道之間的空氣動(dòng)能，各百葉窗之間的空氣流量分配均勻性變差。為獲得性能更優(yōu)的強(qiáng)化傳熱百葉窗翅片，在δ1=0.2mm 時(shí)尖錐形百葉窗翅片結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，提出了7 種單側(cè)相鄰兩百葉窗間距平均值的遞減量分別為0.02mm、0.04mm、0.06mm、0.08mm、0.1mm、0.12mm 及0.14mm 的翅片結(jié)構(gòu)，以尋求更優(yōu)的百葉窗間距組合方式。

圖7 δ1=0.2mm 時(shí)尖錐形百葉窗翅片速度云圖Fig.7 Velocity Contour of Shape Pointed Louver Fin at δ1=0.2mm

隨百葉窗間距遞減量的增大，百葉窗翅片的傳熱因子j 先增大后減小，這一趨勢(shì)與進(jìn)入百葉窗區(qū)域的空氣量及邊界層的生成有關(guān)，如圖8 所示。而百葉窗翅片的摩擦因子f 在δ1=（0.02～0.06）mm 時(shí)變動(dòng)較小，當(dāng)δ1>0.06mm 時(shí)，摩擦因子f 隨δ1的增大而顯著增加，這主要是由于后側(cè)百葉窗之間過(guò)小的間距增大了空氣的流動(dòng)阻力。當(dāng)百葉窗間距遞減量為0.06mm 時(shí)取得最優(yōu)JF 因子值，此時(shí)JF=1.094，在尖錐形百葉窗翅片基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)了綜合性能的進(jìn)一步提升。

圖8 百葉窗間距遞減量對(duì)j 因子與f 因子的影響趨勢(shì)Fig.8 Influence of Louver Spacing Reduction on j Factor and f Factor

4.3 優(yōu)化模型對(duì)翅片性能影響機(jī)理分析

原始模型與優(yōu)化模型（百葉窗中間截面厚度δ1=0.2mm、百葉窗間距遞減量=0.06mm）的空氣流速分布云圖，如圖9 所示。由圖可見(jiàn)，優(yōu)化模型較原始模型的最高流速值更小，這主要是由于優(yōu)化模型中的百葉窗片前緣形狀改為尖角后對(duì)氣流的阻礙作用減弱，減少了氣流對(duì)百葉窗前緣壁面的沖擊。優(yōu)化模型中百葉窗片之間的空氣流速增大，加之百葉窗表面的彎折處理使得百葉窗區(qū)域中的空氣流動(dòng)狀態(tài)更加復(fù)雜，使得優(yōu)化模型較原始模型的低流速邊界層更薄[8]。同時(shí)將圖9 與圖7 對(duì)比可知，優(yōu)化模型中的百葉窗之間氣流流速與流量分配更加均勻，這將有效地提高百葉窗翅片的換熱能力。將最終優(yōu)化后的性能優(yōu)化結(jié)果與原始模型進(jìn)行對(duì)比，如表3 所示?？梢?jiàn)，相對(duì)于原始模型的翅片性能，氣側(cè)溫升升高了6.77%，氣側(cè)壓降降低了22.25%，綜合性能評(píng)價(jià)因子JF 提升了9.07%。

圖9 兩種模型空氣速度云圖Fig.9 Air Velocity Contours of Two Models

表3 原始模型與優(yōu)化模型的性能對(duì)比Tab.3 Comparison of Two Models

5 結(jié)論

首先在翅片原始模型的基礎(chǔ)上提出了尖錐形百葉窗翅片結(jié)構(gòu)，分析了不同百葉窗中間截面厚度及百葉窗間距遞減量對(duì)尖錐形翅片換熱性能及流動(dòng)性能的影響情況，根據(jù)數(shù)值仿真結(jié)果確定了最終的優(yōu)化模型；最后，將優(yōu)化模型與原始模型的傳熱性能及流動(dòng)性能進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果表明，優(yōu)化模型相對(duì)于原始模型的翅片性能，綜合性能評(píng)價(jià)因子JF 提升了9.07%。這種尖錐形翅片結(jié)構(gòu)對(duì)今后提升散熱器綜合換熱性能的相關(guān)研究具有一定的參考價(jià)值。