载重汽车散热器散热及阻力因子仿真模型设计

肖寿高

（陕西重型汽车有限公司，陕西 西安 710200）

载重汽车散热器散热及阻力因子仿真模型设计

肖寿高

（陕西重型汽车有限公司，陕西 西安 710200）

分析散热器性能计算模型，采用VC++软件编写散热器模型仿真程序；对散热器的样件试验数据进行仿真计算；通过SPSS软件对仿真结果进行数据回归分析，得到散热器的散热因子和阻力因子的仿真模型；并对试验值与仿真值进行分析对比，发现试验值与仿真值吻合度较高，误差较小；结果表明建立的仿真模型是可行的，可用于指导新款散热器的研发及老产品的改进设计。

载重汽车；散热器；仿真模型；散热因子；阻力因子

由于排放法规的不断升级，对柴油发动机的冷却性能提出了更高要求。欧VI排放的主要技术路线有纯EGR技术、EGR+SCR技术和SCR技术。其中EGR技术的引入必然加大冷却系统的负担，具体来说将导致水箱散热器增加20%～40%的热负荷。随着热负荷的增加，散热器的质量和体积都会相应增加，这不仅影响散热器在整车的布置，同时也增加整车的油耗。因此设计体积小、质量轻、散热效率高的散热器具有很大的实用意义，是车辆附件设计的一种趋势。

车用散热器按其结构形式主要分为管带式和管片式，芯子均采用紧凑式［1］。紧凑式换热面的结构比较复杂，其散热特性与阻力特性一般采用风筒试验测定。如果靠单纯的试验方法验证散热器换热面的散热特性与阻力特性，势必会延长新产品开发周期，增加研发费用，影响设计效率；若仅采取理论预测确定换热面散热特性与阻力特性，虽会相对缩短设计周期，但其结果与实际相差很大，参考价值不大。

因此，为提高开发效率，并使散热器模型与实际散热器更接近，增强模型的可使用性，本文提出了一种以试验数据为主，理论建模为辅的混合式建模方法，并将仿真结果与实际值进行对比，验证模型的正确性。

1 散热器散热和阻力特性计算

1.1 芯子几何尺寸的计算

1）水侧（水管部分）的散热面积

式中：Fw——水侧散热面积，m2；tw——散热管宽度，m；th——散热管高度，m；t1——散热管的长度，m；N1——散热管的2数目。

2）气侧（翅片部分）的散热面积

式中：Fa——气侧散热面积，m2；fh——散热带波高，m；fp——散热带波距，m；L——散热带长度，m；H——散热带宽度，m；N2——散热带数目。

1.2 定型尺寸

1）水侧通道的当量直径

式中：Dh——水侧通道当量直径，m；A——流体的流通截面积，m2；U——湿周边长或热周边长，m。

2）气侧通道（翅片与一次散热面组成）的当量直径

式中：Dc——汽车通道的当量直径，m。

3）百叶窗的定型尺寸LP——百叶窗的节距，单位为m。

1.3 对数平均温差Δtm

假设冷却液的进口温度为tw1、出口温度tw2，冷却空气的进口温度为ta1、出口温度为ta2，则有

式中：修正系数φ=0.95～0.98，在计算中可取0.98；温度的单位均为℃。

1.4 翅片效率和翅片表面的总效率

翅片为主要的热交换元件，其散热面积约占总散热面积的80%左右，具有二次散热效应，也称二次散热面。虽然散热扁管直接参与冷却液与冷却空气的传热，也叫一次散热面，而散热扁管的散热效率不如翅片的散热效率。散热器总的散热量在数值上等于一次散热面散热量与二次散热面散热量之和。

翅片的效率ηf等效为二次散热面平均温差比上一次散热面温差。

式中：ηo——翅片表面的总效率；F1——一次散热面面积，m2；F2——二次散热面面积，m2。

翅片表面总效率可看作二次散热面与一次散热面处于同样的表面温差时，二次散热量占总散热量的比例。

1.5 散热芯子散热量模型

首先对芯子散热模型做如下假定：冷却空气与冷却液的流量设为定值；热交换表面的散热系数为定值；不计散热损失；固体壁与流体内均不存在轴向导热；冷却空气和冷却液在换热过程中均不发生相变。

在稳定情况下，散热方程式为

式中：Q——散热量，kW；K——总散热系数，kW／m2·℃；S——总散热面积，m2。

热平衡方程为

式中：mc、mh——分别为冷、热流体的质量流量，kg／s；cpc、cph——分别为冷、热流体的定压比热容，kJ／kg·℃。

1.6 散热系数K的计算

散热系数K的计算，必须先确定冷侧表面散热系数hc和热侧表面散热系数hh，目前主要采用试验得出的经验公式进行计算。

1）冷侧（气侧）的表面散热系数计算

式中：Ga——空气质量流速，kg／s；Pr——普朗特数；j——无量纲的表面散热因子。

由柯尔朋类比率所定义的散热因子的表达式为

2）热侧（水侧）的表面散热系数计算

1.7 气侧摩擦因子f的计算

由试验测出气侧压降ΔP，由经验式得气侧的表面摩擦系数为

式中：Ac——最小自由流通面积，m2；Fa——气侧散热面积，m2；σ——最小自由流通面积与来流迎面面积之比；ρ——密度，kg／m3；下标1、2、m分别代表进口、出口及平均值。

2 建立热散热器散热与阻力性质仿真模型

散热器的散热特性可用雷诺数Re与散热因子j的函数关系表示，雷诺数Re与阻力因子f的函数关系可用于表达散热器的阻力性质。散热因子是无量纲的表面传热系数，其大小与散热器内部结构以及流体运动形式有关，其数学关系式可通过试验数据拟合得出；阻力因子可表征散热器空气侧流动阻力特性，其大小与散热器芯子结构和空气运动状态有关，其数学关系式可通过试验数据拟合得出。

2.1 推导j因子和f因子

根据散热器厂家提供的结构参数和试验参数，对不同的散热器进行仿真计算，得到相应的散热因子j与阻力因子f。试验数据处理流程如图1所示。

利用VC++6.0编制［2］试验数据处理程序，计算出1#、2#、3#散热器的j因子和f因子，并将求解结果汇总至表1、表2、表3中。

表1 1#散热器的j因子和f因子

表2 2#散热器的j

2.2 散热因子与阻力因子仿真模型的建立

通过对试验数据的分析处理，将仿真计算得到的散热与阻力性质的数据输入SPSS软件，选择Quadratic、Power和Compound拟合方法进行对比分析，选择其中最合适的拟合曲线，如图2和图3所示。

表3 3#散热器的j因子和f因子

选择Power拟合曲线作为此次散热器散热特性与阻力特性［4-5］的预测模型，其数学形式为

3 试验结果与仿真值的对比分析

选取仿真值与试验值的工况一致，通过拟合曲线模拟计算散热特性与阻力特性［6］，并对试验值与仿真值进行对比分析，结果如图4～图9所示。

由图4～图9知，所拟合的模型其仿真结果与试验值十分接近，误差很小，准确性较高，可用来改进设计各种类型的管带式散热器，并可对新型散热器进行散热因子与阻力因子预测，减少开发周期，模型的实用性很强。

4 案例分析

传统的匹配方法采用类比法或估计法，无法精确得到散热器的结构尺寸，只有通过多次试验才能匹配出合适的散热器，效率比较低。采用本文所编写的计算程序，计算并预测得到散热器的散热功率，得到散热器的结构尺寸，设计的时间及精确度大大得到提高。

以陕汽载重汽车F3000车型匹配ALLison自动变速器为例，ALLison自动变速器的油冷器采用水冷方式，变速器运行时，给冷却系统带来额外的散热量约50～60 kW，由此导致冷却系统散热器重新匹配设计，以满足整车使用需求。

通过自编软件计算，得到了F3000车型匹配ALLison自动变速器冷却系统散热器芯高为1045mm、芯宽708mm、芯厚为40mm，该结构尺寸可以满足整车使用要求。

通过对该程序的持续优化改进，可将计算程序应用于M3000车型平台冷却系统散热器的开发工作。

［1］杨家骐.汽车散热器［M］.北京：人民交通出版社，1985.

［2］魏朗，陈涛.Visual C++程序设计攻略教程［M］.陕西：西安电子科技大学出版社，2004.

［3］Webb L and Farrell A.Improved Thermal and Mechanical Design for Copper Brass Radiators［S］.SAE900724.

［4］吴利平，林贵平.车用管带式散热器的性能研究［J］.车用发动机，2005（2）：62-66.

［5］钱颂文.换热器设计手册［M］.北京：化学工业出版社，2002.

［6］张行周，等.汽车发动机散热器特性仿真研究［J］.车用发动机，2005（8）：23-26.

（编辑杨景）

Simulation Model Design of Heat Radiation and Resistance Coefficient for Heavy Truck Radiator

XIAO Shou-gao
（Shaanxi Heavy Truck Co.，Ltd.，Xi’an 710200，China）

The author analyzes the calculation model of radiator performance，writes a module simulation program by VC++，simulates and calculates the radiator sample test data.The simulation models of radiation coefficient and resistance coefficient are achieved through the simulation data analysis by the SPSS software.The result shows that the established simulation models are practical to guide the development of new radiators and the improvement of older products.

heavy truck；radiator；simulation model；radiation coefficient；resistance coefficient

U464.138.2

A

1003－8639（2014）03－0021－03

2013-07-05；

2013-08-02

肖寿高（1986-），男，硕士，助理工程师，主要从事汽车发动机冷却系统开发研究工作。