换热管结构参数对车用散热器性能的影响

孔喜磊

摘要：為提高汽车散热器的性能，建立了散热器的二维换热稳态模型，研究了换热管迎风侧结构参数（长短轴比）变化对散热器换热性能的影响规律。研究结果表明：随着换热管迎风侧长短轴比的增加，换热管表面换热能力略有下降，但换热面积明显增加，使散热器总换热量增加，散热器的换热性能提升。当长短轴比由1.0增加到2.0时，表面平均换热能力由5664.16W/m2降低到5623.57W/m2。

关键词：散热器;换热管结构参数;长短轴比;换热性能

0  引言

随着汽车产业的多样化发展，汽车发动机功率越来越大，发动机热负荷逐渐增大。在发动机工作期间，最高的燃烧温度可达到2500℃以上，在发动机怠速或者中等转速时，燃烧室的平均温度也可达1000℃以上。散热器作为汽车冷却系统的核心组成部分，承担了整个发动机的散热工作，将发动机无法转化为机械能而产生的热能及时释放，使发动机维持在一个相对稳定的适当的工作温度范围，因此散热器的优化必将推动冷却系统的整体优化升级，为整车性能的提高提供了强力支持，提高汽车在复杂工况下工作的能力[1]。

在散热器结构参数优化方面，王艳梅[2]模拟了装配式散热器散热管和散热片的传热过程，得到了散热效果最优的结构参数，并进行风洞实验验证了数值模拟结果的正确性。MátéPetrik[3]研究了跨流式气液翅片换热器性能的参数，结果表明，影响散热器性能的主要参数是散热器宽度和翅片参数。郑明强[4]对散热器百叶窗其开窗角度、间距及厚度等参数进行了组合模拟仿真优化，使其换热系数、进出口压降、综合换热性能均得到有效改善，这为中冷器的优化提供了设计参考。Moon M A[5]计算了带有针翅的矩形通道内的换热和摩擦损失，并与圆形针翅的换热和摩擦损失进行了比较，结果表明，扇形针翅与圆形针翅和参考针翅相比，扇形针翅在传热和压降方面都有所改进。潘岸[6]建立了管带式散热器的局部翅片和整体散热器三维模型，对散热器翅片结构进行优化，结果表明，翅片结构优化后，空气侧压降基本不变，散热量提升了11.6%。施渺[7]以平直翅片热管散热器为研究对象，研究了翅片厚度、间距、高度、宽度和热管直径等参数对翅片流动换热性能的影响，获得了散热器的结构优化方案，分析了主要影响因素，对工程应用具有一定的指导意义。

综上所述，在散热器结构优化方面大部分学者重点研究了散热器百叶窗厚度、间距、高度、宽度和角度等参数对散热系统性能的影响，而对单一换热管结构参数对散热性能的影响缺乏系统性研究。因此，本文以单一换热管为研究对象，分析迎风侧长短轴比变化对散热器换热性能的影响规律，为散热器结构改进提供理论支撑。

1  模型的建立

换热管采用铝材，壁厚为0.5mm，换热管之间的间隙为3mm，管内流体的二维宽度是1.5mm，为使外侧介质与铝结构体有充分的热交换，冷却流体迎风侧空间取5mm，冷却流体后侧空间取10mm[8]。简化的换热管是轴对称结构，所以构建物理模型时建立了换热管二分之一模型，基本结构如图1。单一换热管的冷却过程可表示为流动-传热过程，模型的数学描写方程请参见文献[4]和[8]。

计算模型的初始条件和边界条件设定如表1所示。本文选取换热管迎风侧核心结构参数长短轴比为变化参数（如图2），研究范围选取1.0、1.2、1.4、1.6、1.8和2.0。

2  结果与分析

图3为长短轴比变化对换热管表面压力的影响（取X表示换热管不同位置到入口处的距离，单位：m，下同），由图3可知：在空气流经长径的顶端X=0.005时，受换热管正面阻挡，使得其压力骤降;在空气流到X=0.01时，综合影响最小，迎风侧结构形状对空气流动的作用在此处基本消失;随着空气在表面的流动，空气受换热管的加热作用影响，压力开始呈现线性变化并且最后到达峰值;在到达换热管后部，在空气流通区域突然变大和换热管对空气加热的相互作用下，表面压力开始上升。随着换热管长短轴比的增大，换热管与空气的交界位置的压力都在大幅度的升高，迎风侧结构的变化使流入的气流对换热管的冲刷强度下降，交界处不同位置的流动变化导致压力的变化。

图4为长短轴比变化对换热管表面温度的影响，换热管内壁面温度为353K，由图4可知：在空气入口处的温度变化最大，空气冲击迎风侧，气流强度高，故气流对换热管外的冷却效果最好的;随着换热管结构的变化，到达直线结构之前，气流强度变化，散热器管的冷却能力骤降，使得交界处上侧温度升高;在水平边界上，散热效果主要受流动空气的温度影响，但是空气在流动过程中是在持续和换热管进行热量交换，引起温度不断升高，因此对换热管的冷却效果变差，交界处温度缓慢升高;在换热管背风侧时，已经被加热温度变高的空气、流通范围变大和后侧空气的回流三个因素导致表面温度出现波动。

图5为长短轴比变化对换热管表面换热量的影响，由图5可知：在入口处受到空气温度和气流流动路径变化的综合影响，散热效果最好，此时的换热量最多;在流经换热管水平表面时，换热管上侧空气流动趋于稳定，换热量的影响主要受到空气温度ΔT的影响，散热量的变化呈现出一条稳定的曲线;在换热管背风侧形状的变化使高速流动的空气与换热管尾部未能进行充分的接触，换热管表面换热量急剧减少。随着长短轴比的增大，换热管入口空气受到的结构阻力减小，迎风侧的换热量明显降低;在换热管中后侧，换热管长径与短径比增加，换热管表面温度和交界处的温差变大，换热量开始增加。

图6为长短轴比变化对换热管表面换热能力的影响。由图6可知：随着长短轴比增加，换热管表面平均换热能力略有下降。这是因为随着长短轴比的增加，换热管迎风面结构骤变程度下降，对空气流线的改变程度下降，从而减少了气体分子与换热壁面之间碰撞的几率，从而使换热强度略有下降。但是由于长短轴比的增加使换热管迎风面换热面积明显增加，从而使散热器的整体换热量增加，散热器性能提升。

3  結论

随着换热管迎风侧长短轴比的增加，在交界处总体有利于散热的进行，空气对换热管迎风侧的冲刷是影响迎风侧换热的主要因素，长短轴比的改变引起迎风侧结构变化，迎风侧结构改变直接影响换热效果。随着换热管迎风侧长短轴比的增加，换热管表面换热能力略有下降，但换热面积明显增加，使散热器总换热量增加，散热器的换热性能提升。当长短轴比由1.0增加到2.0时，表面平均换热能力由5664.16W/m2降低到5623.57W/m2。

参考文献：

[1]Mao S， Cheng C， Li X， et al. Thermal/structural analysis of radiators for heavy-duty trucks[J]. Applied Thermal Engineering， 2010， 30（11-12）： 1438-1446.

[2]王艳梅.车用装配式散热器散热管和散热片的结构优化[D].贵州大学，2016.

[3]MátéPetrik， GáborSzepesi， KárolyJármai. Theoretical and Parametric Investigation of an Automobile Radiator[J]. 2017.

[4]郑明强.基于CFD技术的汽车中冷器性能分析及结构优化[D].贵州大学，2016.

[5]Moon M A， Kim K Y . Analysis and optimization of fan-shaped pin-fin in a rectangular cooling channel[J]. International Journal of Heat and Mass Transfer， 2014， 72（may）： 148-162.

[6]潘岸，刘向农，郑志华，李伟.车用散热器百叶窗翅片结构仿真优化[J].低温与超导，2020，48（03）：94-98.

[7]施渺，杜江伟，余小玲，廖梓璜，谭又博.平直翅片热管散热器的正交数值模拟优化[J].电子机械工程，2020，36（02）：14-18.

[8]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（01）：78-82.