散热器进出口布置对流阻影响的仿真分析

段德昊 熊飞 朱林培 邓达泰

摘 要：文章采用STAR-CCM+通用流体仿真程序，基于Realizable k-e湍流模型，完成了某纯电动车双侧散热器在不同流量下流阻特性仿真分析，并通过相应的水阻试验结果验证了仿真方法的可靠性。然后结合实际工况，以冷却液为流动介质，分别完成了散热器双侧与单侧设计在8L/min和10L/min两种流量下的流阻特性分析。结果表明：在相同工况下，双侧进出口设计流阻特性更优，略小10%左右;此外，双侧水室内壁面最大压应力也略小45%;且在一定范围内流量越大，两者差值越大。

关键词：汽车散热器;STAR-CCM+;流阻;仿真

中图分类号：U464.138+.2  文献标识码：A  文章编号：1671-7988（2019）12-113-03

Abstract： Numerical analysis on hydraulic resistance of a bilateral radiator in a battery electric vehicle was conducted with the general fluid simulation code STAR-CCM+ based on the Realizable k-e turbulence model. A good agreement between simulation results and experimental data with water media shows the effectiveness of the simulation method for hydraulic resistance of radiator. And then considering the real working condition and coolant， simulation on hydraulic resistance of bilateral radiator and unilateral radiator was carried out with coolant in flow rate of 8L/min and 10L/min respectively. Final results show that bilateral radiator has better performance with about 10% less hydraulic resistance and 45% less maximum wall pressure than unilateral radiator. Moreover， the difference becomes bigger along with the increasing flow rate within certain range.

Keywords： Radiator; STAR-CCM+; Hydraulic resistance; Numerical analysis

前言

散熱器是纯电动汽车电驱冷却系统不可缺少的重要部件，它通过循环冷却液与外界空气对流进行热交换，保证系统在任何工况都能维持在合适温度工作。散热器流阻越大，消耗电机有效功率越大，故降低散热器工作压力，使电驱系统发挥最大效率，对散热器设计至关重要[1]。

1 流体仿真的控制方程

计算流体动力学（CFD）仿真分析是基于流体力学连续性方程、动量方程及能量方程三大守恒控制方程，并选择合适的湍流近似模型，进行数值离散迭代求解，获得相关复杂流动近似结果的分析方法，目前是解决复杂工程流动问题的高效手段。本散热器冷却液流动可近似为低速不可压定常流动，由以下控制方程组进行描述[2]。

1.1 连续性方程

其中i取1，2，3，代表坐标系中u，v，w三个速度分量。下面i，j类似代表三个坐标方向分量。

1.2 动量方程

1.3 湍流模型方程

考虑到散热器内部冷却液在扁管与两侧水室过渡区域，进出口等局部可能存在湍流和分离流动，故选择realizable k-ε 湍流模型近似[2]。

其中 ，湍流模型常数取值为： 。

2 散热器建模与仿真求解

2.1 几何模型

本文散热器结构如图1所示，散热器进出口有单侧和双侧两种不同结构设计，进出口皆为14mm等直径圆管，中间每根扁管由两个厚度1mm，宽度7mm的椭圆形细小槽道并列组成。考虑散热器实际尺寸、扁管倒角等特征，尽可能保留散热器内部流道结构特征。

2.2 仿真模型

散热器网格采用混合网格划分，两侧水室为多面体网格，中间扁管为三棱柱拉伸网格。在边界层上，采用2层，总厚度0.5mm，增长率为1.3。单侧和双侧模型面网格采用0.5mm的三角形单元，体网格分别约650万和658万。经网格无关性验证后，该网格量可以满足计算精度。

2.3 边界与求解设置

在散热器进口端面设置为质量流量入口，出口端面为压力出口，大小为0Pa，其它管壁为wall。本文以60℃冷却液（体积比为50%的水和乙醇混合液）分析，密度1040kg/m3，动力粘度1.65mPa·s，对比分析了8 L/min和10L/min时散热器流阻和内壁面最大压应力。

3 散热器仿真方法验证

3.1 仿真方法的可靠性验证

按照双侧进出口散热器单体水阻试验结果，以60℃水为流动介质（密度983kg/m3，动力粘度0.5mPa·s）完成相应仿真分析，如表1所示，对比结果表明，同流量下仿真与试验流阻相对误差在3%以内，验证了方法的有效性。

4 散热器仿真结果分析

针对某车型散热器实际工况和流动介质，重点分析了冷却液8L/min和10L/min两种流量来评估散热器流阻特性。基于上述经验证的CFD分析方法，分析了实际工况下双侧和单侧的差异。仅以10L/min流量结果作对比分析。

4.1 进出口流阻特性对比分析

4.2 散热器水室内壁面最大应力分析

取散热器最大压应力存在部位，即入口部位，如图6所示。

5 结论

对于纯电动车电机散热器单体而言，在相同流量工况下：1）双侧布置比单侧流阻特性更优，略小10%左右;2）对于水室内壁面压应力也略小45%左右;3）在一定范围内，双侧与单侧散热器的流阻差异随冷却液流量增大时有增大的趋势。因此，若仅从散热器流阻特性和对水室强度影响的角度，优先选用双侧进出口散热器。

参考文献

[1] 吴立平，林贵平等.管带式汽车散热器性能分析系统[J].北京汽车， 2005（1）：9-12.

[2] 王福军.计算流体动力学分析[M].北京：清华大学出版社.

[3] 田杰安等.基于CFD的散热器结构优化[J].内燃机与动力装置， 2012（4）：40-42.

[4] 王维等.层叠式蒸发器建模与仿真研究[D].南京农业大学，2008（6）： 25-27.

[5] 张书义，刘松等.基于Fluent的汽车散热器热耦合仿真[J].汽车实用技术，2016（6）：88-91.