一種管翅式油冷器換熱性能的數(shù)值模擬研究

張九新，湯佳銘，曹 進(jìn)，俞 亮，周驥平

(1.南通江華熱動力機(jī)械有限公司，江蘇 南通 226300) (2.揚(yáng)州大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，江蘇 揚(yáng)州 225127)

作為汽車發(fā)動機(jī)系統(tǒng)的關(guān)鍵組成部分之一，機(jī)油冷卻器起著降低機(jī)油工作溫度、保障發(fā)動機(jī)正常運(yùn)行的作用，可以有效提高汽車的動力性和燃油經(jīng)濟(jì)性，尤其是對于一些大功率、高性能的發(fā)動機(jī)，其作用更加突出[1-3]。管翅式油冷器作為車用換熱器被廣泛應(yīng)用于各種汽車中。由于油冷器中傳熱和流動的復(fù)雜性，以及實(shí)驗(yàn)成本較高，因此采用流體動力學(xué)(CFD)對油冷器進(jìn)行數(shù)值模擬研究是一種有效的方法。油冷器的研究重點(diǎn)主要集中在結(jié)構(gòu)、材料、制造工藝等方面。胡萬玲等[4]利用數(shù)值模擬的方法分析了不同形狀的渦產(chǎn)生器對管翅式換熱器的傳熱和阻力性能的影響；王燁等[5]對不同翅片材料所對應(yīng)的管翅式換熱器進(jìn)行了數(shù)值模擬，研究了翅片材料對管翅式換熱器換熱性能的影響；王相兵等[6]建立了管翅式換熱器脹接成形過程的有限元仿真模型，分析了脹接工藝對換熱器傳熱性能、機(jī)械強(qiáng)度及耐壓強(qiáng)度的影響。這些研究表明影響換熱器換熱性能的因素較多，需要從不同方面考慮換熱器的換熱性能[7-8]。本文以管翅式油冷器為研究對象，采用CFX軟件對換熱器進(jìn)行建模與計(jì)算，分析了翅片密度和工作環(huán)境溫度對油冷器傳熱與流動的影響，并通過試驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證，為優(yōu)化油冷器結(jié)構(gòu)、提高其傳熱性能及工程應(yīng)用提供參考。

1 模型建立

1.1 物理模型

應(yīng)用SolidWorks建立管翅式油冷器的幾何模型，如圖1所示。氣流以平行于翅片表面的方向通過油管外的翅片間隙，翅片呈線性排列且厚度一致，并與油管脹接在一起，機(jī)油的入口和出口均在兩端向下布置，油冷器中油管和翅片的材料均為鋁，翅片形狀為平直翅片，油冷器的基本參數(shù):油冷器長、寬、高分別為857 mm、259 mm、55 mm；翅片厚度為0.25 mm；油管數(shù)量為24根；翅片數(shù)量為387片。

圖1 管翅式油冷器模型

1.2 控制方程

管翅式油冷器的傳熱方式屬于自然對流換熱，其換熱過程涉及流體與固體的耦合換熱，遵循連續(xù)性方程和動量守恒方程(N-S方程)，控制方程式如下所示。

1)連續(xù)性方程。

連續(xù)性方程是質(zhì)量守恒定律在運(yùn)動流體中的數(shù)學(xué)表達(dá)式，即質(zhì)量守恒方程：

(1)

式中:ρ為流體的密度；t為時(shí)間；Vx,Vy,Vz分別為速度矢量在x，y，z方向上的分量。

2)動量守恒方程。

(2)

(3)

(4)

式中：p為靜壓力；u，v，w分別為流體在x，y，z方向上的速度矢量；μ為動力黏度系數(shù)；Su，Sv，Sw分別為N-S方程的廣義源項(xiàng)。

1.3 網(wǎng)格劃分與邊界條件設(shè)定

網(wǎng)格劃分質(zhì)量的優(yōu)劣會直接影響到數(shù)值模擬的計(jì)算結(jié)果，由于油管和翅片均為規(guī)則幾何形狀，因此采用四面體網(wǎng)格進(jìn)行劃分，對空氣與油冷器接觸表面進(jìn)行網(wǎng)格細(xì)化。網(wǎng)格劃分后共有22 332 159單元，3 718 943個(gè)節(jié)點(diǎn)。數(shù)值計(jì)算采用標(biāo)準(zhǔn)的k-ε湍流模型，壓力與速度的耦合問題采用SIMPLE算法。計(jì)算區(qū)域的邊界條件設(shè)置為：進(jìn)風(fēng)口與進(jìn)油口均為入口方式(inlet)，出風(fēng)口與出油口均為出口方式(outlet)。具體參數(shù)見表1。

表1 各邊界條件參數(shù)

2 風(fēng)冷油試驗(yàn)

為了研究不同翅片間距的油冷器在不同工況下的散熱情況，利用風(fēng)洞測試系統(tǒng)對其進(jìn)行風(fēng)冷油試驗(yàn)。風(fēng)洞測試系統(tǒng)如圖2所示，主要由離心風(fēng)機(jī)、干濕球溫度計(jì)、空氣采樣器、均流器、微壓差傳感器、機(jī)油冷卻器、噴嘴、變頻離心風(fēng)機(jī)以及變頻油泵等部分組成。在試驗(yàn)過程中，先將翅片密度為10 FPI的管翅式機(jī)油冷卻器放置于風(fēng)洞試驗(yàn)臺中，保持進(jìn)油口流量為37.3 L/min，進(jìn)油口溫度為369 K，分別改變進(jìn)風(fēng)口風(fēng)速與外部環(huán)境溫度，并記錄出油口溫度值。一組測試完畢后更換另一管翅式機(jī)油冷卻器繼續(xù)測試。

圖2 風(fēng)洞測試系統(tǒng)示意圖

3 仿真結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果對比分析

3.1 翅片密度對油冷器換熱性能的影響

圖3為油冷器在進(jìn)風(fēng)口風(fēng)速為6 m/s、工作環(huán)境溫度為253 K時(shí)散熱功率與翅片密度的變化趨勢。由圖可知，仿真數(shù)據(jù)與試驗(yàn)數(shù)據(jù)的變化趨勢一致，兩者之間偏差較??；隨著翅片密度的增加，空氣的流通性增強(qiáng)，與油冷器翅片管表面間的接觸面積增大，空氣與翅片表面的換熱量增加，出風(fēng)口的平均溫度逐漸升高，油冷器的散熱功率也逐漸升高，當(dāng)翅片密度為16 FPI時(shí)，出風(fēng)口的平均溫度值最大。但隨著翅片密度繼續(xù)增大，出風(fēng)口的平均溫度和散熱功率呈下降趨勢，這是由于翅片數(shù)量的增加導(dǎo)致風(fēng)阻增加，減少了空氣與油冷器的換熱量。根據(jù)出風(fēng)口溫度的變化趨勢，選取翅片密度為12～18 FPI，出風(fēng)口溫度云圖如圖4所示?？梢钥闯隹拷屠淦鬟M(jìn)油口一端的出風(fēng)口溫度的變化比較明顯，出風(fēng)口溫度并沒有隨著翅片密度的增加而增加，反而呈減弱的趨勢，表明合理的翅片密度能使空氣達(dá)到最大傳熱效率，從而實(shí)現(xiàn)油冷器的最大散熱功率。從圖中還可以看出，在同一工況下，翅片密度為16 FPI時(shí)，機(jī)油冷卻器的散熱功率最好。在翅片密度較低的情況下，仿真數(shù)據(jù)比試驗(yàn)所得的散熱功率要高，這是由于在試驗(yàn)過程中工作環(huán)境溫度難以恒定保持在253 K，導(dǎo)致進(jìn)風(fēng)口溫度比設(shè)定值偏高。

圖3 散熱功率與翅片密度變化趨勢

圖4 出風(fēng)口的溫度云圖

3.2 工作環(huán)境溫度對油冷器換熱性能的影響

圖5為油冷器在進(jìn)風(fēng)口風(fēng)速為6 m/s、翅片密度為16 FPI時(shí)散熱功率隨工作環(huán)境溫度的變化趨勢。由圖可知，仿真數(shù)據(jù)與試驗(yàn)數(shù)據(jù)的變化趨勢一致，兩者之間偏差較小。出油口平均溫度隨著環(huán)境溫度的升高而增加，油冷器散熱功率隨著溫度的升高而降低。這是由于隨著進(jìn)風(fēng)口溫度的增加，空氣帶走的熱量減少，從而導(dǎo)致油冷卻散熱功率降低。

圖5 散熱功率與工作環(huán)境溫度變化趨勢

圖6為不同環(huán)境溫度下的油冷器出油口溫度云圖，可以看出當(dāng)環(huán)境溫度T=233 K時(shí)，機(jī)油出口溫度達(dá)到最低值340 K，此時(shí)空氣與翅片管的換熱量達(dá)到最大值。隨著環(huán)境溫度的增加，出油口的溫度逐漸上升，與進(jìn)油口的溫差越來越小，油冷器散熱功率呈下降趨勢。

圖6 機(jī)油出口溫度云圖

3.3 風(fēng)速對油冷器換熱特性的影響

為研究風(fēng)速對油冷器散熱功率的影響，保持周圍工作環(huán)境溫度為253 K，選取翅片密度為16 FPI的油冷器進(jìn)行分析。圖7為翅片截面在不同風(fēng)速下的溫度云圖，可以看出翅片的表面溫度隨風(fēng)速的增加而降低。這是由于單位時(shí)間內(nèi)空氣的流速越快，流過翅片管的空氣流量越大，增加了空氣與翅片管之間的換熱量，從而提高了油冷器的換熱性能。

圖7 翅片截面溫度云圖

圖8為散熱功率隨進(jìn)風(fēng)口風(fēng)速的變化趨勢。由圖可知，仿真數(shù)據(jù)與試驗(yàn)數(shù)據(jù)的變化趨勢一致，兩者之間偏差較小。散熱功率均隨風(fēng)速的增加而增加，這是由于空氣流過翅片時(shí)，氣流的擾動作用隨著風(fēng)速的增加而增強(qiáng)，表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)也隨之增大，從而進(jìn)一步提高了油冷器的散熱功率。

圖8 散熱功率與進(jìn)風(fēng)口風(fēng)速的變化趨勢

4 結(jié)束語

本文采用CFX軟件對一種管翅式油冷器的換熱性能進(jìn)行仿真計(jì)算，所得結(jié)果與風(fēng)冷油試驗(yàn)數(shù)據(jù)吻合程度較好。分析結(jié)果已經(jīng)應(yīng)用到久保田農(nóng)業(yè)機(jī)械有限公司的某型內(nèi)燃機(jī)散熱器的設(shè)計(jì)中，取得了比較滿意的效果，相關(guān)結(jié)論主要有以下幾點(diǎn)：1)在相同工作環(huán)境溫度下，翅片密度為16 FPI時(shí)，油冷器的換熱性能最佳，與其他翅片密度相比，散熱功率提高了2%～6%；繼續(xù)增加翅片的數(shù)量，將增加風(fēng)阻損耗，從而降低油冷器與空氣的換熱量。2)在相同進(jìn)風(fēng)口風(fēng)速和進(jìn)油量下，工作環(huán)境溫度升高會降低油冷器的換熱性能，油冷器在低溫工作環(huán)境下的散熱功率比在高溫工作下提高了50%～80%，可見油冷器在低溫環(huán)境下傳熱性能相對較好。3)在進(jìn)風(fēng)口溫度不變的情況下，空氣帶走的熱量隨著進(jìn)風(fēng)口風(fēng)速的增加而增加，從而提高了油冷器的散熱功率。