散热器翅片参数对其性能的影响研究

金开 郑磊 朱蕾 赵增耀

摘 要：为研究散热器翅片参数对其性能的影响，运用AMESim软件搭建某商用车发动机冷却系统，研究散热器翅片参数对其性能的影响。研究表明：散热器的外翅片间距对其散热能力有较大影响，随着翅片间距，散热器换热能力增大;散热器内翅片间距的变化并不会对散热器的散热性能造成明显影响;散热器内翅片的高度不宜过小。

关键词：冷却系统;散热器;翅片;AMESim

中图分类号：U464  文献标识码：B  文章编号：1671-7988（2020）05-126-03

Abstract： In order to study the influence of radiator fin parameters on its performance， AMESim software was used to build a cooling system of a commercial vehicle engine， and the influence of radiator fin parameters on its performance was studied. The results show that the space between the outer fins of the radiator has a great influence on its heat dissipation ability. The change of fin spacing in radiator does not affect the heat dissipation performance of radiator obviously. The height of fin inside radiator should not be too small.

Keywords： Cooling system; Radiator; Fin; AMESim

引言

冷却系统是汽车发动机的重要组成部分，其中散热器是核心部件。发动机冷却系统散热能力不足导致的故障严重影响产品的质量。

目前国内汽车厂在前期设计中，一般将冷却模块作为一个整体交由供应商进行设计，后期通过整车热平衡试验验证冷却系统性能，该方法周期长且耗费大量人力、物力，且極易造成冷却系统匹配不合理造成整车设计失败。张斌等[1]通过仿真分析得到散热器在指定工况下的温度变化特性;张秉坤等[2]利用AMESim软件建立了冷却系统模型，研究了散热器芯子尺寸对散热器性能的影响;李文跃等[3]通过AMESim软件建立冷却系统的一维仿真模型，对备选散热器进行了校核计算;徐立平等[4]运用AMESim软件对发动机冷却系统进行了匹配计算。综合来看，对冷却系统的研究主要集中在原件匹配以及系统性能预测两个方面，针对原件的研究较少。

本文以某型号国产商用车为研究对象，基于AMESim平台搭建其发动机冷却系统仿真模型，探讨散热器内、外翅片的间距和高度等因素对其散热性的影响，为散热器的选型设计提供参考。

1 结构模型

该型号商用车散热器类型为板翅式，具有结构紧凑，换热强度大等特点。图1为单层翅片的结构示意图。

2 冷却系统模型搭建

2.1 发动机模型

发动机冷却系统采用水冷闭式强制循环冷却系统，通过水泵加压使冷却液在发动机机体和汽缸盖水套等组成的封闭循环通路中流动。

冷却系统散走的热量受许多复杂因素的影响，很难精确计算，初步估算可采用以下公式：

式中：φ为发动机冷却损失系数，柴油机一般取0.18～ 0.25;ge为发动机燃油消耗率;P为发动机功率;hn为燃料低热值。

2.2 水泵模型

对于水泵消耗的功率，可由下式计算：

2.3 散热器模型

散热器热侧流动阻力通过下式计算：

式中：K为流动阻力损失系数;ρc为冷却液密度，Vc为冷却液流速。

式中：km为散热器管道的导热系数;Ga和Gf为空气和冷却液的质量流量;aair和bair为空气侧对流修正系数;af和bf为冷却液侧的对流修正系数。

2.4 风扇模型

2.5 冷却系统模型搭建

应用多学科高级仿真平台AMESim建立冷却系统仿真模型，分别调用热液压库、冷却系统库、热交换器库以及信号库的部分元件，建立包含水散热器、水泵、风扇等在内的仿真模型，系统中部件的连接与实际冷却系统连接方式一致，如图2所示。其中，发动机体可以看作一个热源，直接给定散热量，散热器性能参数通过台架实验获取，水泵和风扇的特性曲线由供应商提供。

3 仿真研究

3.1 散热器外翅片间距对散热能力的影响

根据散热器供应商提供的数据，该散热器外翅片的间距调整范围为2～3mm，变化步长为0.2mm。保持其他参数不变，调整外翅片间距，带入仿真模型计算散热器性能，散热器出口水温随外翅片间距变化规律见图3。

由图3可知，散热器出口水温随着外翅片间距的增加而增大。分析认为，在散热器总宽度不变的条件下，外翅片间距增加会导致翅片数量减少，即减小了空气侧总换热面积，削弱了散热器的热交换能力，因而散热器出口水温增大。

式中，△T2为散热器出口水温随外翅片间距变化幅值;△Sw为散热器外翅片间距变化量。

代入图3的数据至（7）式，可得外翅片间距平均敏感度为9.5573℃/mm。

3.2 散热器内翅片间距对散热能力的影响

根据散热器供应商提供的数据，该散热器外翅片的间距调整范围为5～10mm，变化步长为1mm。保持其他参数不变，带入仿真模型计算散热器性能，散热器出口水温随外翅片间距变化规律见图4。

由图可知，散热器出口水温随着内翅片间距的增加而减小。分析认为，散热器内翅片间距增大势必减小内翅片数量，从而减小散热器的水侧总换热面积;另一方面，散热器水侧阻力受到内翅密度制约，内翅片间距增大有利于冷却液流量提升，增大散热器的换热量，综合效果为散热器散热能力有所增强。

代入图4的数据至（8）式，可得内翅片间距平均敏感度为0.0313℃/mm。

3.3 散热器内、外翅片高度对散热能力的影响

由于散热器芯体的尺寸受整车布局的限制，所以外翅片高度增加值需与内翅片高度减小值保持一致。设定内翅片高度变化范围为2～4mm;变化步长为0.5 mm;对应外翅片高度变化范围为9.4～11.4 mm。内、外翅片高度变化时;水泵流量和风扇的风量也随之变化，继而影响到散热器的换热量。翅片高度对散热能力的影响见图5。

由图可知，散热器出口水温随着内翅片高度的增加而迅速减小。分析认为，散热器内翅片高度决定了水侧通道的水力直径，内翅片高度增大，增大了水侧的换热面积，由于外翅片高度降低，增大了空气侧的阻力，导致流经散热器的空气流量减小，因此，当内翅片高度增大到一定程度后，散热器的换热能力不再增加。总的来说，内翅片的高度不宜过小。

4 结论

通过搭建发动机冷却系统仿真模型，分析翅片几何参数对散热器的散热能力的影响，得到以下结论：

（1）散热器的外翅片间距对其散热能力有較大影响，随着翅片间距，散热器换热能力增大。

（2）散热器内翅片间距的变化并不会对散热器的散热性能造成明显影响。

（3）散热器内翅片的高度不宜过小。

参考文献

[1] 张斌等.基于AMESim的发动机散热器散热性能研究[J].现代机械， 2018（1）：44-48.

[2] 张秉坤等.基于AMESim 发动机冷却系统的参数匹配仿真分析[J].机械设计与制造，2016 （12）：190-193.

[3] 李文跃等.发动机冷却系统匹配计算与仿真分析[J].建筑机械， 2017 （12）：67-70.

[4] 徐立平等.基于AMESim 发动机冷却系统匹配仿真分析[J].机械研究与应用，2014（1）：42-44.