汽车翼型百叶窗翅片散热器性能对比分析

李嘉旭 侯亚璇 刘佳鑫 蒋炎坤

摘要：为了提高某汽车管带式散热器的综合性能，保证车辆正常行驶的稳定性，根据厂商提供的散热器几何参数，对其进行性能分析、仿真计算与结构优化。建立该管带式散热器单元体模型并进行数值计算，将仿真结果与试验数据对比，以验证该仿真模型的准确性。在保持散热面积近似不变的前提下，将NACA0018翼型作为百叶窗翅片的结构特征，将传统百叶窗翅片和翼型百叶窗翅片采用相同的方法仿真计算，获得散热器空气侧的换热系数和压力损失，进而计算JF评价因子并比较。结果表明：原散热器的仿真结果和实验数据进行对比，换热系数和压力损失误差最大值分别为4.93%、4.38%，在可接受范围之内，验证了仿真的准确性;在空气速度为2～12m·s-1的区间内，改进后的散热器的JF因子要高于原散热器，当空气流速为12m·s-1时，改进后散热器的JF因子高出约13.58 %。

Abstract： In order to improve the comprehensive performance of a vehicular pipe-belt radiator and guarantee the stability of normal driving， the performance analysis， simulation calculation and structural optimization were conducted based on the geometrical parameters of the radiator provided by the manufacturer. The unit cell model of the pipe-belt radiato for numerical analysis was established， and the simulation results were compared to experimental data to verify accuracy of the simulation. Under the premise of maintaining the heat dissipating area approximately， with wing type NACA0018 as the structural feature of louvered fins， the same method was applied to traditional shutter fins and wing-type shutter fins for simulation calculation so as to obtain the heat transfer coefficient and pressure loss of the air side of the radiator. And the comparison of the front and rear radiator JF factors was calculated. The results show that compared with the experimental data， the maximum value of heat transfer coefficient and pressure loss error is 4.93% and 4.38%. The accuracy of the simulation was verified in the acceptable range. Compared with the non-improved fin structure of heat pipe， the JF factor of the improved radiator was higher over a velocity range of 2～12m·s-1. When the velocity of flow reached 12 m·s-1， the JF factor of the improved radiator overflowed by around 13.58%.

關键词：车辆散热器;百叶窗翅片;数值分析;翼型翅片;JF因子;计算流体力学

Key words： vehicle radiator;louvered fin;numerical analysis;wing-shaped fin;JF factor;CFD（computational fluid dynamics）

0  引言

随着国家经济的迅速发展，汽车保有量迅速增加，对环境的污染日益严重，因此节能减排显得尤为重要。汽车在正常行驶过程中会产生大量的热量，只有将这些热量及时散出车辆，才能保证汽车各个系统在一个稳定的温度区间内运作。良好的散热器可以保证发动机舱工作的稳定性，提升燃油的燃烧效率，起到节能减排的效果。汽车散热器基本采用管带式，其中百叶窗翅片具有较高的传热效率。而散热器的性能通常从流动阻力与散热量来评价，散热量会随着流动阻力的降低而减少，因此拥有较低流动阻力，同时拥有较高散热量的散热器性能更好。

百叶窗翅片是汽车散热器翅片类型中的主流，百叶窗翅片通过增大传热面积、扰动流体、破坏流体边界层来强化换热效果。通过改变百叶窗翅片的高度、长度和间距能有效提高综合散热性能[1-2]，刘佳鑫等[3-6]利用CFD对翼型热管和传统扁平型热管单元体进行模拟，利用JF评价因子得到翼型热管综合性能高于传统热管。冯少聪等[7]通过仿真对比分析，得出工程车辆五位数翼型热管散热器性能优于四位数翼型热管散热器性能。周光辉等[8]提出了一种椭圆形百叶窗翅片，利用CFD进行模拟研究，综合JF因子评价，得到椭圆形百叶窗翅片的空气性能更好，散热效果优于传统百叶窗翅片。J.K Jang等[9]采用共轭梯度法对变角度百叶窗和传统百叶窗进行了数值模拟。A. Saleem等[10]对36种不同结构的百叶窗翅片结构进行了参数化研究，并利用JF因子进行评价。

基于以上研究，本文通过CFD仿真模拟对传统百叶窗翅片和翼型百叶窗翅片单元体进行仿真计算，得出翼型百叶窗翅片较传统百叶窗翅片具有更低的流动阻力和更高的散热能力，为今后翅片的改进提供参考。

1  控制方程及散热器物理模型

1.1 控制方程

控制方程分别为动量守恒方程、能量守恒方程和质量守恒方程。

动量守恒方程为

式中：ρ—密度;U—速度矢量;η—流体动力粘度;p—压强;t—时间;u，v和ω分别为U在x，y和z方向上的分量。

其中λ—导热系数。

能量守恒方程为

式中：T—流体温度;h—换热系数;Cp—流体定压比热容;ST—粘性耗散项。

质量守恒方程为

1.2 散热器物理模型

冷却水在翅片顶部和底部的扁管中流动，与扁管的内壁面发生热交换，热量再由扁管和翅片向外界导出，空气从翅片间流过，与翅片和多孔扁管接触，发生热交换。百叶窗翅片是间断式的表面，增大了翅片侧的换热系数，有利于翅片传热。

在UG10.0中建立某型汽车使用的的管带式百叶窗翅片散热器模型，结合文献[11]，具体参数如表1。

2  原模型仿真与试验验证

2.1 网格划分与设置

使用Gambit进行网格划分，并采用Fluent15.0进行仿真，对网格数量进行无关性检验，对网格模型分别进行仿真计算，计算不同网格数量模型的翅片表面散热量和空气侧的压降，确定网格数量为850万左右。

依据文献[2]，为了防止空气回流对仿真结果产生影响，在翅片模型的进出口分别建立一段延长区域。使用简化的隔板模型来代替热管。翅片的排列具有周期性和对称性，具体边界设定如图1所示。

2.2 相关仿真边界设定

根据实际作业状况，确定散热器模型的仿真参数。参照文献[12]，对速度入口为6m/s的模型进行仿真，选用标准k-ε湍流模型，流体为空气，忽略升浮力。具体参数如表2。

2.3 仿真结果分析

网格模型在Fluent15.0中进行仿真，当整场迭代残差无明显变化后提取仿真结果，如图2所示。

由图2（a）可以看出：在入口处的压强较高，随着流程增加，压力逐步降低，变化最为明显的是翅片冷热交替处，这是由于流通截面变化较为剧烈，雷诺数增大，每次通过翅片通过翅片截面时，压强均会有所下降。图2（b）为温度云图，空气的温度随着流程的增加而增加，翅片附近的空气温度较高，这是由于此处温差大，换热较为明显由翅片尾部。

2.4 试验验证

为了验证仿真结果的准确性，在散热器生产商处进行相关试验，试验参照JB/T8577—2005《内燃机水散热器技术条件》等国家标准，依据文献将试验结果进行转化，在速度区间内将试验与仿真进行对比。结果表明：试验与仿真结果在空气侧换热系数（H）和压强损失（Δp）方面总体吻合，且最大误差不超过5%。但是两者的换热系数和压力损失仍存在差异，这是由于试验结果受到翅片表面粗糙度、钎焊工艺、测试误差和环境差异等因素的影响。

3  改进模型及仿真结果分析

3.1 百叶窗翅片改进模型

决定散热器性能好坏的两个重要指标分别是散热量和压力损失。提高散热器性能的方法之一是保持散热面积近似不变，降低压力损失。基于该点考虑，对百叶窗翅片的几何特征进行改进，在保持翅片表面积接近的情况下，尽量降低空气的沿程阻力。

根据文献[4]，考虑机翼型具有较低的阻力特征，选用NACA0018建立模型，如图3所示。

3.2 NACA0018翼型百叶窗翅片改进模型的仿真结果

改进模型单元体的网格划分、边界条件设置及各流体参数设置均与原始模型相同。提取入口风速为6m·s-1时，翼型翅片百叶窗翅片模型单元体的仿真结果如图4。将如图4（a）所示翼型百叶窗翅片的压力分布云图与传统百叶窗翅片的压强云图相对比，两者整体压力分布类似，读取数据后发现不同，翼型翅片模型速度入口处的空气压强约为228.8～244.8Pa，在经过四个翼型百叶窗区域之后，空气压强下降了约48.0～80.1Pa，与普通百叶窗翅片结构相比，翼型百叶窗翅片结构整体压强变化幅度较小。温度仿真结果如图4（b）所示。与原模型相比，翼型百叶窗翅片结构内压力损失较低，导致低温空气流程较长，中间的低温空气升温区也更接近出口，平均温度达到80.74～83.49℃。根据矢量分析，翼型翅片的尾端没有涡流产生，因此热传递效率更高。

4  综合性能对比

对两种百叶窗翅片在不同风速下进行仿真分析，得到各自的换热系数和压力损失，进行对比，如图5所示，其中實线为传统百叶窗翅片的仿真结果，虚线为翼型百叶窗翅片的仿真结果。

从图5中可以看出：

①两种百叶窗翅片的压力损失和换热系数都随着入口风速的增加而增加。

②翼型百叶窗翅片的换热系数略高于传统百叶窗翅片，主要因为翼型百叶窗翅片的散热面积略大于传统百叶窗翅片;翼型百叶窗翅片的压力损失相比传统百叶窗翅片明显降低。

文中采用无量纲因子（？琢jf）对两种翅片的表面性能进行进行更加综合的评价，该因子越大代表阻力越小，传热性能越好，综合性能也就越好。其中j、f分别为传热因子和摩擦因子。

无量纲传热j因子表达式为：

无量纲摩擦因子f表达式为：

式中，h为换热系数;Pr为普朗特数;L为流程长度;ΔP为沿程压力降;ρ为流体密度;u为空气体平均速度;ρm为流体平均密度;dh为水力直径。

对比结果如图6所示，总体上得益于翼型百叶窗翅片具有更低的流动阻力，翼型百叶窗翅片结构的JF因子要高于传统百叶窗翅片结构，翼型百叶窗翅片既有较高的散热能力也有较低的空气侧摩擦阻力。当空气流速为12m·s-1时，JF因子高出约13.58%。

5  结论

通过对某汽车管带式散热器单元体进行CFD仿真分析，利用仿真结果和试验数据进行对比分析;对采用NACA0018翼型为几何特征的百叶窗翅片进行数值计算，对比两者JF因子，得到以下结论：

①经过对百叶窗翅片单元体的数值仿真，仿真与试验结果基本吻合，证明该方法可靠。

②NACA0018翼型百叶窗翅片在风速为2～12m·s-1的区间内表面换热系数均高于传统翅片，压力损失均低于传统翅片。

③NACA0018翼型百叶窗翅片与传统翅片相比具有更好的阻力性能，在空气流速为12m·s-1时，翼型百叶窗翅片的JF因子高出约13.58%。

④翼型百叶窗翅片较传统翅片具有更低的流动阻力，更高的散热能力。为翅片的进一步改进提供参考。

参考文献：

[1]李晓光.汽车百叶窗翅片式散热器性能数值模拟与风洞实验研究[D].天津大学，2012.

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[5]刘佳鑫，秦四成，孔维康，张奥，习羽，张学林.虚拟风洞下车辆散热器模块传热性能数值仿真[J].吉林大学学报（工学版），2012，42（04）：834-839.

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[7]冯少聪，刘佳鑫，王宝中，蒋炎坤.工程车辆五位数翼型热管散热器性能对比分析[J].武汉理工大学学报，2017，39（03）：91-96.

[8]周光辉，胡亚晗，曹侃，杨凤叶，李海军，菅晨光.椭圆形百叶窗翅片传热强化数值分析[J].低温与超导，2018，46（06）：71-75，81.

[9]Jang， J. Y.， and C. C. Chen. Optimization of Louvered-Fin Heat Exchanger with Variable Louver Angles[J]. Applied Thermal Engineering 2015，91： 138-50.

[10]Saleem， A.， and M. H. Kim. Cfd Analysis on the Air-Side Thermal-Hydraulic Performance of Multi-Louvered Fin Heat Exchangers at Low Reynolds Numbers[J].Energies，2017，10.

[11]江樂新，翟辰辰.变角度百叶窗翅片的数值模拟和性能分析[J].低温与超导，2012，40（11）：49-54.

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