环境条件变化对散热器性能的影响

刘辉

摘要：为了探究环境条件变化对散热器性能的影响，建立了板式散热器三维流动传热模型，研究了进风口风速和空气温度变化对散热器性能的影响。结果表明：随着进风口风速增加，冷却水的进出口温差增加，散热器的换热量增加，当风速由2m/s增加到8m/s时，进出口温差由6.664℃增加到22.624℃，换热量由300.2W增加到1019.6W;随着入口空气温度的升高，冷却水进出口温差减小，换热量减小，当空气温度由-15℃增加到15℃时，进出口温差由57.272℃减小到38.935℃，换热量由2583W减小到1778.8W。

关键词：板式散热器;入口风速;入口温度;换热量

0  引言

散热器是车辆冷却系统的核心附件，它的作用是吸收发动机所产生的热量并将其散发到空气中，以保护发动机避免因过热造成的破坏[1]，其换热能力的强弱直接影响到发动机性能[2]。由于车辆的工作环境不同，对发动机的动力性、经济性、起动性、排放性以及冷却传热等性能都会产生影响[3]。由于空气的温度、风速、压力等参数对散热器影响较大，尤其在西藏等海拔高的地区，高原的车辆会经常出现抛锚等情况，很大原因就是因为散热器工作不正常所致[4]。海拔每升高1000m，散热器空气侧对流换热系数和散热量分别下降约9.5%和9.0%[5]。因此，对散热器的研究将对车辆的动力性和经济性有很重要的意义。

目前，在车载散热器结构研究方面，索文超[6]通过降低散热器空气侧流动阻力和芯部体积节约了冷却风扇功率和车辆动力舱空间。Quintero A E[7]对多层逆流平行板换热器进行了理论和数值研究，获得了温度场的精确解。郭健忠[8]采用CFD方法對某型汽车管带式百叶窗散热器进行性能分析及翅片结构优化，开窗角度27°、间距2.4mm的翅片综合性能最好。Vaisi A[9]在研究中表明，与不对称布置的百叶窗式翅片相比，对称布置的百叶窗式翅片的传热性能提高了9.3%，压降降低了18.2%。关凤艳[10]建立管带式散热器传热与阻力预测模型进行了散热器芯体结构参数优化，减少了耗材和降低了生产成本。Huang Y[11]采用了多尺度热分析方法来研究中间冷却器，通过网格细化和基准插值技术的应用，分析了内部流动和传热机理，并计算了压力和温度数据。沈勇[12]对冷却风道进行优化，使散热系统流经散热器的冷却空气风量显著提升，进口温度显著下降。叶斌[13]等人对管带式散热器的设计、校核、优化和参数化以及冷却液的性能进行了研究。李政[14]分析了铝塑汽车散热器与型管汽车散热器的结构特点。肖寿高[15]设计开发了一种新型的凸纹管汽车散热器结构总成，与光顺管散热器相比，散热面积增加10%以上。

在散热器冷却液研究方面，张书义[16]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，对散热器进行了优化。王秋敏[17]在LabVIEW环境下利用PID控制方法，精确控制了散热器性能测试过程中的水温。SelvamC[18]对石墨烯纳米流体纳米流体的对流换热系数和压降进行了实验研究。Chaurasia P[19]以奈米流体为冷却剂，以蒸馏水为冷却剂，强制空气通过散热器的垂直方向，对汽车散热器的性能进行了研究。Soylu[20]制备了四种不同类型的纳米颗粒用于纳米流体，测定了其传热系数。杨旭[21]向基液中添加石墨烯纳米颗粒形成三维石墨烯纳米粒子冷却液，较大幅度地提高了基液的传热量及对流传热系数。Zhao S Y[22]研究了流体特性变化对换热网络优化的影响，发现流体性质的变化显着影响每种流体的最佳质量流速，而对热导的最佳分配影响很小。Kaga K[23]研究了热量从高温制冷剂通过散热片通过散热片流向低温制冷剂的影响，预测表明，通过翅片中的热传导，对于简单的两行两程热交换器，冷凝器的传热能力降低了3%。

综上所述，现有研究重点关注了散热器的结构优化以及对散热器冷却液的研究，而在空气与散热器对流换热方面的研究缺乏。因此本文以风速和温度作为主要研究对象，系统认识其对散热器散热的影响规律，以期为散热器设计与优化提供理论支撑。

1  模型的建立

1.1 物理模型

建立一个长500mm，宽50mm，高16.5mm的三维散热器模型，借鉴文献[24]的研究成果0.5mm壁厚的散热器在各种风速情况下的综合性能都要优于1mm壁厚的散热器，所以设定壁厚为0.5mm，具体如图1。

1.2 数学模型

车载散热器的冷却过程可表示为流动-传热过程，其方程为：参考文献[25]。

1.3 网格划分和独立性验证

选用四面体网格对模型进行划分，定义水的入口和出口，如图1（a），最上边的水口为进水口（Velocity-inlet），经过循环后下方水口为出水口（outflow）;图1（b），一侧为进风侧（Velocity-inlet），另一侧为出风侧（outflow）。

在数值模拟前对5组网格进行了测试计算，并以冷却水出口温度作为评价标准，具体模拟结果如表1所示。

由表1可知，后四个方案冷却水出口温度结果的相对变化率均小于1%，在充分考虑到计算准确度及模拟时间的基础上，选择方案三为最终网格划分方案。

1.4 初始条件与边界条件

计算模型的初始条件和边界条件设定如表2所示。

2  结果与分析

2.1 进风口风速影响

从图3中可以看出，当进风口空气温度保持不变时，随着风速的增加，冷却水的进出口温差会增大。在风速为 2m/s时，冷却水的进出水口温差为6.664℃;当风速变为8m/s时，冷却水的进出水口温差变为22.624℃，散热能力提高了239.50%;当风速增加到14m/s时，冷却水的进出水口温差为27.123℃，散热能力又提高了19.89%，说明风速的增加，会提高散热器的散热能力，这是因为当空气温度不变时，风速的增加会使空气对流换热系数增加，使空气带走的热量变多，导致冷却水的进出口温差变大，进一步对进出水口的换热量进行分析。

从图4中可以看出，当进风口空气温度保持不变时，随着风速的增加，冷却水的进出口换热量越来越大。在风速为2m/s时，冷却水的进出水口换热量为300.2W;当风速变为8m/s时，冷却水的进出水口换热量变为1019.6W，散热能力提高了239.64%;当风速增加到14m/s时，冷却水的进出水口换热量为1223.6W，散热能力提高了20.01%。风速的增加会带走散热器更多的热量，使散热器内冷却水的热量减小，让散热器的散热性能增强。但是散热器换热量的增加幅度随着风速的增加而减小，当风速增大到一定程度时，图2中的曲线会慢慢的近似于一条水平的直线，这是因为风的比热容决定了其本身能够带走能量的趋势会趋近于稳定，使散热器的换热量也趋近于稳定。

2.2 进风口空气温度的影响

从图5中可以看出，当进风口风速保持不变时，随着空气温度的增加，冷却水的进出口温差会越来越小。在空气温度为-15℃时，冷却水进出水口温差为57.272℃;当空气温度为15℃时，冷却水进出水口温差为38.935℃，散热器的散热能力下降了32.02%;当空气温度为35℃时，冷却水进出水口温差为27.123℃，散热器的散热能力下降了30.34%，说明空气温度的增加，会降低散热器的散热能力。这是因为温度的变化就是两部分分子之间的动能平均化，当空气温度增加时，空气和散热器之间的温差就会变小，两部分分子之间的平均动能相差越小，导致散热器的散热能力降低。进一步对进出水口的换热量进行分析。

从图6中可以看出，当进风口风速保持不变时，随着空气温度的增加，冷却水的进出口换热量越来越小。在空气温度为-15℃时，冷却水进出水口换热量为2583W;当空气温度为15℃时，冷却水进出水口换热量为1778.8W，散热器的散热能力下降了31.13%;当空气温度为35℃时，冷却水进出水口换热量为1223.6W，散热器的散热能力下降了31.21%，空气温度的增加会带走散热器更少的热量，使散热器内冷却水的热量减小的更慢，让散热器的散热性能减弱。图5与图4的走势一样，这是因为换热量与换热面积、换热系数和温差有关，当风速一定时，换热系数变化幅度很小，所以使空气和散热器之间的换热量趋势与冷却水的进出口温差的变化趋势一样。

3  结论

针对空气与散热器的对流换热，建立了板式散热器三维流动传热模型，研究了风速和空气温度对散热器性能的影响。①当进风口空气温度保持不变时，随着风速的增加，冷却水的进出口温差和换热量会越来越大。在风速为2m/s时，冷却水的进出水口温差为6.664℃、换热量为300.2W;当风速变为8m/s时，冷却水的进出水口温差变为22.624℃、换热量变为1019.6W，散热能力提高了239.50%;当风速增加到14m/s时，冷却水的进出水口温差为27.123℃、换热量为1223.6W，散热能力又提高了19.89%。②进风口风速保持不变时，随着空气温度的增加，冷却水的进出口温差和换热量会越来越小。在空气温度为-15℃时，冷却水进出水口温差为57.272℃、换热量为2583W;当空气温度为15℃时，冷却水进出水口温差为38.935℃、换热量为1778.8W，散热器的散热能力下降了32.02%;当空气温度为35℃时，冷却水进出水口温差为27.123℃、换热量为1223.6W，散热器的散热能力下降了30.34%。

参考文献：

[1]孙红運，曹金祥.车用散热器的发展现状[J].科技经济导刊，2016（08）：80.

[2]薛成成.管带式散热器百叶窗翅片的热力性能优化[D].江苏：江苏大学，2013.

[3]许翔，刘瑞林，刘刚，等.大气压力对柴油机冷却系统热平衡影响的研究[J].汽车工程，2012，34（7）：592-595.

[4]王军.WD615系列高原柴油机的开发[D].天津：天津大学，2003.

[5]许翔，索文超，杨定富，等.车用散热器高原传热性能仿真研究[J].系统仿真学报，2018，30（8）：3146-3153.

[6]索文超，许翔，耿飞.基于计算流体力学的车辆发动机散热器芯部外形优化[J].兵工学报，2017，38（9）：1839-1844.

[7]Quintero A E， Vera M. Laminar counterflow parallel-plate heat exchangers： An exact solution including axial and transverse wall conduction effects[J]. International Journal of Heat and Mass Transfer， 2017， 104：1229-1245.

[8]郭健忠，徐敏，张光德，等.汽车散热器的性能分析及翅片结构优化[J].科学技术与工程，2016，16（26）：58-64.

[9]Vaisi A， Esmaeilpour M， Taherian H. Experimental investigation of geometry effects on the performance of a compact louvered heat exchanger[J]. applied thermal engineering， 2011， 31（16）：3337-3346.

[10]关凤艳.汽车散热器的优化设计及传热性能分析的研究[J].制造业自动化，2011，33（14）：143-145.

[11]Huang Y， Liu Z， Lu G， et al. Multi-scale thermal analysis approach for the typical heat exchanger in automotive cooling systems[J]. International Communications in Heat & Mass Transfer， 2014， 59（dec.）：75-87.

[12]沈勇，刘玮，张永胜.装载机散热系统数值仿真与改进[J].建筑机械，2016（7）：54-57.

[13]叶斌.基于试验的汽车管带式散热器传热与流阻建模及其优化设计研究[D].安徽：合肥工业大学，2014.

[14]李政，李杨.铝质型管汽车散热器[J].汽车零部件，2018，（10）：90-94.

[15]肖寿高.新型凸纹管汽车散热器设计与开发[J].汽车实用技术，2018（21）：184-185.

[16]张书义，刘松，曹汝恒，等.基于Fluent的汽车散热器热耦合仿真[J].汽车实用技术，2016（6）：88-89，102.

[17]王秋敏，张红烨，易俊.散热器性能测试温度控制系统的研究[J].汽车零部件，2017（5）：51-54.

[18]Selvam， C.， Lal， D. Mohan，Harish， Sivasankaran.Enhanced heat transfer performance of an automobile radiator with graphene based suspensions[J]. Applied thermal engineering： Design， processes， equipment， economics ，2017， 123： 50-60.

[19]Chaurasia P， Kumar A， Yadav A， et al. Heat transfer augmentation in automobile radiator using Al2O3-water based nanofluid[J]. Sn Applied Sciences， 2019， 1（3）.

[20]Soylu， Sezgi Kocak， Atmaca， Ibrahim，Asilturk， Meltem， et al.Improving heat transfer performance of an automobile radiator using Cu and Ag doped TiO2 based nanofluids[J]. Applied thermal engineering： Design， processes， equipment， economics， 2019， 157.

[21]楊旭，田宇，邓伟.石墨烯纳米冷却液在汽车散热器中冷却性能的实验[J].装备制造技术，2018（6）：184-186.

[22]Zhao S Y ， Chen Q . A thermal circuit method for analysis and optimization of heat exchangers with consideration of fluid property variation[J]. International Journal of Heat & Mass Transfer， 2016， 99：209-218.

[23]Kaga K ， Kotoh S ， Ogushi T . Prediction of heat exchanger capacity by thermal network method （Influence of thermal conduction in fins on capacity of a condenser）[J]. Heat Transfer Asian Research， 2008， 37（2）：101-114.

[24]潘伟东，巫江虹.基于Fluent软件的汽车散热器双侧三维数值模拟[J].制冷，2007，26（1）：78-82.

[25]王龙绪.牵引变流器水冷散热器研究[D].四川：西南交通大学，2015.