内置油冷器位置对散热器性能的影响

孙佳明 武亚娇 曹向斐

（泛亚汽车技术中心空调电子部）

内置油冷器布置在散热器水室内，因此布置位置会直接影响到散热器以及发动机冷却系统的性能。对于油冷器结构的研发，国内外学者已经进行了大量的研究。文献[1]通过CFD以及标准偏差方法，研究了板式油冷器内部各层的热流性能；文献[2]研究了板式油冷器内部压力分布；文献[3]研究了油冷器水侧流动特性，并提出了防止气蚀发生的设计优化方案。这些研究成果主要集中在油冷器油侧的性能优化及参数设计等，而对油冷器在水室中的布置对冷却系统的影响却鲜有论及。而在一些汽车主机厂中也有油冷器布置位置相关的经验值，但是缺乏定量研究的依据。文章讨论了油冷器在散热器水室中布置位置对水室压降和油冷器换热量的影响。

1 物理问题及描述

图1示出散热器水室物理模型。冷却液通过水箱扁管进入水室，通过出水口流出水箱。同时，变速箱机油从油冷器上方进入油冷器，经过冷却液冷却之后由水室下方流出。不同的油冷器布置位置会导致不一样的换热流动结果。

可以通过2种方式来改变水室和油冷器的相对位置：一是固定水箱设计，改变油冷器位置；二是固定油冷器位置，改变水室水口位置。由于第2种方式的网格变动量较小，对实际模型的模拟也能够充分体现。因此，选择第2种方式进行研究。

保持油冷器位置及水室总容积不变，设计了6种不同的水室水口位置，将水口和油冷器重合的位置从50%（水口到油冷器投影面积为水口的50%）逐渐变动到100%（水口完全投影到油冷器上），如图2所示。

2 数值模拟

2.1 数学模型

由于数值传热学（NHT）[4]的方法不受物理模型与试验开发的影响，能够低耗高效地得出具有实际应用价值的结果。因此，文章主要通过计算流体力学软件（Fluent软件），对油冷器在水室内不同的相对位置进行数值模拟，解算出不同位置下水室内部的流场。从而确定了油冷器布置位置对水室内部的压降规律。

油冷器布置在水室中，周边流道狭窄，冷却液流动方式为复杂的湍流流动过程。因此，采用SIMPLE算法，湍流模型采用标准k-ε两方程模型。描述文中抽象结构的湍流换热控制方程，包括连续性方程、动量方程（Navier Stokes方程）及能量方程[5]。

2.2 边界条件

根据某车型油冷器的试验值，确定了相应的边界条件。冷却液进口定义为质量流量进口条件，温度为82℃，质量流量为1.4 kg/s。冷却液出口质量由连续性方程已经确定，因此仅设压力出口条件。变速箱机油经由变速箱流入外置油冷器，其入口按照试验测定的值给出质量流量进口条件，入口油温为115.76℃，质量流量为0.05 kg/s。与冷却液入口类似，油冷器出口也设为压力出口条件参与计算。

为了抓住油冷器布置位置对整个水路的影响这一重点，将其他边界条件设为壁面条件，从而简化计算。

3 计算结果及其分析

根据图2的6种工况，其中，工况1为50%的水口投影面积投射到油冷器上；工况2为70%的水口投影面积投射到油冷器上；从工况3到工况5为水口全部投射到油冷器上；工况6为部分水口投影面积离开油冷器。文章以工况1，3，5为例，图3示出3种工况下的水流速度场分布。

从图3可以发现，工况1的速度明显要高于其他2种结构形式。当水流进入水室之后，由于工况1的水室入口有50%的面积未被油冷器挡住，因此水流速度能够充分发展。在计算稳定时，油冷器背面也有相当的速度，流动相对流畅，如图3a所示。而其他2种工况下，水流迅速被油冷器阻挡，不可能充分发展，因此在计算稳定之后，其速度分布也仅在正对油冷器的一侧，如图3b和图3c所示。由于在一般情况下，压降与进出口速度平方之差正相关，因此，当油冷器未被挡住的工况下，其压降值会较小。

图4示出所计算6种不同位置下的冷却液压降变化。从计算结果明显可见，一旦出现水口面积没有完全投射到油冷器上（工况1，2，6），则对应的冷却液侧压降较小。从工况3～5可以看出，当水口完全投影在油冷器上时，其压降变化不是很大。从工况2～3有30%的压降升幅，说明冷却液侧压降的变化对投影面积的增大非常敏感。

从以上分析可以看到，当水口面积逐步投影到油冷器上时，冷却液流出散热器的通道就越窄，故水侧阻力就会大幅提升。因此，为了降低整个冷却系统的冷却液侧阻力，散热器水口投影到油冷器上的面积不宜超过水口面积的50%。当无法保证50%的投影面积时，可以通过增大冷却液水口到油冷器的间距来扩大冷却液流道，从而降低冷却液阻力。

4 结论

1）将油冷器作为壁面模型能够撇除油冷器内部结构，有效简化计算模型。从计算结果来看，使用该简化方法来进行计算是完全可行的。

2）散热器水室内阻力与油冷器的布置位置紧密相关。水口在油冷器上的投影面积不断增大时，其水侧压降也会增大。从结果来看，当冷却液水口投影到油冷器面积达到进水口面积的一半后，阻力会突然增加，因此，在零件布置阶段，水口投影到油冷器的面积应当控制在50%以下，这样能够有效控制因为水口位置变动带来的散热器水阻上升。

3）如布置位置不可避免完全投影于油冷器上，冷却液水口位置对压降的影响就不明显了。为了降低这类布置时的水阻，需要尽可能扩大流道空间。在零件布置允许的前提下，适量增大水口到油冷器的间距，可以抵偿投影面积全部在油冷器上的压降增量。

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