基于CFD汽车散热器布置形式对性能影响分析

黄鹏超，黄镇财，唐 焱

（1.柳州职业技术学院汽车工程学院，广西 柳州 545006；2.桂林电子科技大学机电工程学院，广西 桂林 541004）

1 引言

散热系统是发动机的重要附属单元，将影响发动机的正常工作。随着增压技术的应用，增压冷却也成为了发动机散热的重要组成部分。高温散热器和增压冷却的中冷散热器共用冷却水泵和冷却风扇，两个单元的布置形式将直接影响整个系统的性能[1]。因此，对布置形式的影响进行分析，具有重要的应用价值。

国内外学者对发动机散热进行了一定的研究：文献[2]基于风洞试验，分析了翅片结构形式对散热器性能的影响，获取了最佳的结构参数；文献[3]基于一维热管理模型，分析多个散热器串联和并联对整体冷却性能的影响，表明并联式布置性能略优；文献[4]采用模型仿真，分析吹风式和吸能式冷却风扇对散热器性能的影响，发现吸风式效果由于吹风式布置；文献[5]基于计算流体力学仿真分析，研究管路不同的布置形式对散热器性能的影响规律，管路（4～6）排布置时，效果最优。

根据散热器的工作特点，对高温散热器和中冷散热器的参数进行设计，基于CFD分析技术建立散热器二维和三维分析模型。根据材料和布置差异，进行四种模型对比，获取最优设计。搭建冷却系统试验平台，分别在中冷器前方位置左三分之一处纵向遮挡和上三分之一处横向遮挡，获取冷却风速和进出口温度变化。通过仿真分析和试验方法对比分析中冷散热器与高温散热器不同布置形式对冷却性能的影响。

2 散热器模型

2.1 散热面积计算

汽车用水冷系统由发动机水套、水泵、中冷散热器、高温散热器以及管道等部件组成[6]，在实际使用过程中，中冷散热器、高温散热器一般采用的排列形式，如图1所示。

图1 散热器布置结构Fig.1 Heat Aink Layout

目前常用的散热器芯部结构分管片式和管带式两种。水管一般都是扁平型，以减小空气阻力，增加传热面积，减小冻裂的危险，而管外的散热片或散热带是为了增加传热面积[7]。管片式结构的优点是刚度好、耐高压；缺点是制造工艺比较复杂。管带式结构刚度和强度不如管片式，但零件数少，制造方便，散热效果好。本设计中散热器芯部采用管带式结构，冷却管与散热带特征图，如图2所示。

图2 冷却管与散热带特征Fig.2 Cooling Tube and Heat Aink Features

散热器散热面积：

式中：ΦR—储备系数，一般取值1.15；kR—散热器传热系数，一般取0.077；Δt—冷却水和进出空气的温度差，一般取39.5℃；Qw—需要散掉的热量。

则，高温散热器的散热面积为136.136m2；中冷散热器的散热面积为36.5m2。

2.2 散热器模型

建成后的仿真模型的网格划分情况，如图3所示。从图中可以看出该仿真模型共分四个部分：入口、流体区、管道排和出口[8]。真实的散热管形状为圆管压扁后的方体圆头，在此为了划分出高质量的网格，简化成矩形。管道的排列完全按照真实散热器的布列情况进行建模，同时考虑到管排的重复性，中冷器取其中的十四排、散热器取其中的十六排作为研究单元进行流体分析。

图3 散热器网格模型Fig.3 Radiator Grid Model

在建立了面域模型之后，要在GAMBIT中设定边界条件和区域类型。左侧入口为速度入口边界条件（入口速度8.2m/s），右侧出口为压力出口边界条件（定义出口压力相对大气压力为0，即没有附加的压力作用），管排设置为壁面边界条件（wall）；面域区域类型设为 Fluid（流动）[9]。

而后在Fluent中进行相关的设置，在进口处给定流动总压为大气压力，流动方向为沿轴向进气；中冷器芯子壁面设置温度为443K；散热器芯子壁面设置温度为371K。

通流区的流动属于湍流运动，理论上流场分析应采用认为散热器内部流体为不可压缩气体；流动中有热量交换，采用能量守恒方程[10]，与连续性方程同时考虑的情况；内部流动为稳态流动，采用定常计算。

3 布置形式对冷却性能影响

高温散热器和中冷散热器可一上一下布置，也可一左一右布置，布置形式，如图4所示。中间隔断的中冷器和电动机散热器由于散热面积和阻力系数各不相同，导致进气流量不一定是按照横截面积的比例而进行相应的分布，于是探讨冷却风量的分布比例变得十分必要。

图4 散热器布置形式Fig.4 Heat Aink Layout

3.1 模型建立

分四种情况分别建立中冷器与散热器的简化模型，如图5所示。依次表示中冷器与散热器横向同种材料布置、横向异种材料布置、纵向异种材料布置、纵向同种材料布置，散热管与散热翅片的尺寸严格按照散热器厂家提供的尺寸进行设定。四种不同布置形式下有效迎风面积及其比例，如表1所示。

图5 不同布置形式模型Fig.5 Different Layout Model

表1 不同模型迎风面积及其比例Tab.1 Windward Area and Proportion of Different Model

3.2 流场分析

设置完边界条件，进行计算分析，得到的残差监测曲线，由曲线可知四个模型均收敛性良好，说明了边界条件设置的正确性，证明了此模型可用来模拟分析散热区不同迎风面的空气质量流量。经计算得到的散热区前后迎风面的速度云图，如图6所示。

图6 四种情况速度云图Fig.6 Speed Map of Four Situations

空气质量流量数值数据整理后，如表2所示。面积比与质量流量之比的关系，如表3所示。

表2 四种情况空气质量流量Tab.2 Air Quality Flow in Four Cases

表3 面积占比与质量流量占比的关系Tab.3 Relationship Between Area Ratio and Mass Flow Ratio

表4 四种布置形式温度变化Tab.4 Temperature Change of the Four lLayouts

通过表2和表3的数据可知，面积占百分比越大，通过的质量流量占百分比越小，同面积百分比相比大概小0.53%左右，可以认为此种材料的中冷散热器和高温散热器，质量流量所占百分比和面积所占百分比相等。由表4可知，布置形式和材料的变化使得散热器的散热效果具有明显的差异，其中横向布置异种材料的散热效果最佳，主要由于横向布置时，散热管路与冷却空气的接触面积更大，散热散效果更优，异种材料布置能够一定程度提升散热效果。这为设计有隔断的散热器散热面积的确定提供了参考依据。

4 试验分析

4.1 冷却系统实验平台

发动机冷却系统实验平台由发动机、冷却风扇、散热器、冷却循环管路、发电机、电动机、测功机、耗功电阻柜、励磁电源、变频器、轴流风机、温度及扭矩传感器以及数据采集系统等组成，试验平台简图，如图7所示。试验用LMS SCADAS多功能数据采集系统和温度传感器。

图7 发动机冷却系统实验平台Fig.7 Engine Cooling System Experimental Platform

4.2 实验验证

4.2.1 实验方案

分别在中冷器前方位置左三分之一处纵向遮挡和上三分之一处横向遮挡，测量105和126个位置的风速，如图8所示。测量过程中发动机转速始终保持在750r/min，测量仪器为风速仪。

图8 测点位置图Fig.8 Location of the Measuring Point

4.2.2 数据记录

经测量，得共计231个点处的速度值，速度单位为km/h。数据记录，如表5所示。

表5 测试数据Tab.5 Test Data

4.2.3 结果分析

把纵向遮挡中冷器有效面积均分为105个网格，每个网格面积为0.00435m2；把横向遮挡中冷器有效面积均分为126个网格，每个网格面积为0.003275m2。由式（3）可算得通过中冷器的风量，计算结果，如表6所示。

式中：Q—流量；S—单元网格的面积；vi—网格中心点的速度。

通过表6和表2中数据，可知面积占百分比与通过的流量占百分比近似相等；表7和表3对比数据可知，纵向布置的形式散热效果更优，充分证明仿真模型和分析结论的正确性。为此类设计提供重要参考。

表6 风量及其所占比例Tab.6 Air Volume and its Proportion

表7 温度变化Tab.7 Temperature Change

5 结论

基于CFD对中冷散热器与高温散热器布置形式对冷却性能的影响进行分析，建立横向同种材料布置、横向异种材料布置、纵向异种材料布置、纵向同种材料布置等四种对比模型。经过仿真分析及试验验证，结果可知：（1）对比四种布置形式可知，通过的空气质量流量占百分比和面积占百分比的比例基本一致；（2）在空气流量相同的前提下，横向异种材料布置形式的散热效果最佳，优于其他布置形式，主要由于横向布置，散热管路与冷却空气的接触面积更大，更有利于冷却液与冷却空气之间的换热；异种材料布置更能提升换热效果；（3）试验分析验证了仿真分析的准确性，为设计有隔断的散热器散热面积的确定提供参考依据。