基于Fluent的汽车散热器热耦合仿真

张书义，刘松，曹汝恒，曹建明

（长安大学汽车学院，陕西 西安 710064）



基于Fluent的汽车散热器热耦合仿真

张书义，刘松，曹汝恒，曹建明

（长安大学汽车学院，陕西 西安 710064）

汽车散热器是发动机冷却液与空气进行热交换的换热设备， 它的好坏直接影响到发动机的动力性和经济性，是发动机冷却系统中非常重要的一部分。随着仿真软件被广泛的用到散热器设计中，使散热器的优化设计更加的轻便。文章主要利用Fluent软件，采用Simple算法和标准k-e湍流模型，模拟计算了水在散热器内部的流动传热过程，通过分析温度场和压力场等的变化，获得散热器的工作情况，为散热器优化设计提供参考。

散热器；建模；Fluent；仿真

10.16638/j.cnki.1671-7988.2016.06.031

CLC NO.: U464.138+.2 Document Code: A Article ID: 1671-7988 (2016)06-88-03

前言

散热器是内燃机冷却系统中最重要的部件之一，它对内燃机的动力性，经济性以及可靠性有重大影响，所以研究如何提高散热器的换热性能和降低设计成本具有重要的意义。本文主要通过建模和仿真软件对某一款汽车品牌的散热器进行了压力场和温度场的模拟，以便发现可以改进的地方。

1、计算流体力学的基本模型控制原理

1.1三大流体基本能量方程

CFD 基本模型三大控制方程分别是连续性方程、动量守恒方程和能量守恒方程，散热器内部水的流动基本上是以三大方程为主的方程组控制。

（1）连续性方程：

（2）动量方程：

（3）能量守恒方程：

2、散热器的建模与模拟计算

2.1建模

对于散热器的UG建模，要考虑实际尺寸、形状，忽略散热器的外部塑料包装对模型的影响，以致简化其模型，使其更接近实际汽车散热器。实际汽车散热器经过UG建模图形，如图1所示：

图1　散热器模型

2.2散热器Gambit网格划分

将UG模型导进Gambit,然后调整适当位置，选中整个实体进行网格划分，网格选择不规则的，大小为0.5。对网格质量进行检查，其中划分的网格有431359个，最差的的网格面积是0.847591，在可接受的范围。设置汽车散热器模型的边界，选择三维模型的两外端面，一个为进水口，另一个为出水口。进水口的边界被设置为进水速度，出水口的边界被设置为出水流量。汽车散热器三维模型的网格图形，如图2所示：

图2　网格

2.3基于Fluent的边界条件设置与计算

将汽车散热器三维模型 mesh 文件导入 Fluent，将所有的单位改成mm，分离解算器选择Fluent默认的解算器，仿真模型采用标准K-E湍流模型，选择的材料为液态水，并将水的物理参数设置好。设置边界条件，并计算出边界参数，步骤如下：

①fluid面、wall、出水口边界的设置

Fluid设置，将Material name 改成water-liquid；出水口的边界设置为默认模式；wall的设置，设置铝制散热器的换热系数为204w(m2·k) ，wall的厚度为0.002m。

②进水口边界设置

进口水管：进口水流速度 2m/s，温度363K。实验测定压力为100000Pa。

确定湍流参数的方法如下：

如果已知湍流长度尺度l，则湍动耗散率ε按下式计算：

最后设置散热器进水口边界的初始数据，选择Simple算法，压力标准离散化，动量、湍动能、湍流消耗系数二阶逆风面离散化。初始化流场，设置迭代步数1000。通过桌面运行图形窗口查看残差图的收敛过程，从残差图可以了解迭代解是否已经收敛到允许的误差范围了，如图3所示。

图3　残差图

3、散热器的内流场分析结果

散热器的仿真结果是以流场的形式呈现的，本文研究的是散热器的内流场，内流场的变化分为冷却液管内流温度场、冷却液管内流压力场，从这两方面将散热器的内部流场变化形象的描绘出来。这种计算出来的流场变化更接近实际的工作状态，对于研究汽车散热器的散热特性有很大的帮助。

3.1冷却液管内流温度场，如图4

图4　温度云图

图上显示了散热器冷却液管内部温度的流场分布。自上而下，管内冷却液的温逐步降低，

这是空气换热作用的结果，带走了热量。上下两个水箱内的冷却液温度高于冷却液管内的温度，一是因为原型散热器上下水箱是由工程塑料包裹起来的，固定在发动机前部，起固定作用，外部空气不能直接与它强制对流换热。故而在几何建模计算时省略它的塑料外壳。二是散热器的冷却水管是散热器的主要工作区域，冷却空气与冷却水管强制对流换热后冷却水管内的温度降低。与实际散热器温度场、压力场近似，其产生的误差，主要是在管与水箱交接处湍流损失较大的拐角处，还有散热器水箱外壳部分的流动损失。

3.2冷却水管内流压力场，如图5所示

图上显示散热器冷却水管内流压力场。从上到下，水箱内的压力逐渐减少，因为进水口面积较小，进水速度较大，所以进口处的压力较大。随着水箱内进水量的增加，在水箱内易形成湍流，流向冷却水管时，造成水箱内局部的压力增加。进入冷却水管后，水温下降，流速变缓，导致管内水的压力也逐渐下降。但会产生一些误差，这是因为进水不可能一下就充满整个散热器，会产生气液混合相。

图5　压力云图

[1] 莫春兰.车用发动机管带式散热器性能的研究[学位论文],2001.

[2] 康显丽.UG NX5机械设计案例教程:中文版.北京：清华大学出版社，2008.

[3] 于勇.FLUENT入门与进阶教程.北京:北京理工大学出版社,2008.

[4] 王福军.计算流体动力学分析[M].北京:清华大学出版社.

Thermal coupling simulation of automobile radiator based on Fluent

Zhang Shuyi, Liu Song, Cao Ruheng, Cao Jianming
（Chang'an University Automotive Institute, Shaanxi Xi'an 710064）

Car radiator is an exchanging heat equipment that can exchange coolant liquid with air, and it' s goodness or badness will directly affect the engine performance and fuel economy, is a very important part of engine cooling system. This paper established use Fluent software, the Simple algorithm and standard k-e turbulence model, simulation calculation of the flow of water within the radiator heat transfer process, through the analysis of the change of the temperature field and stress field, etc, for the performance of the radiator, to provide the reference for the radiator optimization design.

Radiator; Model; Fluent; Simulation

张书义，就读于长安大学汽车学院。

U464.138+.2

A

1671-7988 （2016）06-88-03