基于CFD汽车散热器管口位置对性能影响的研究

吴兆亮　侯海焱　尤韦娜

摘 要：文章研究对象为汽车散热器。通过CFD仿真分析，得出散热器的进出口管口设置在不同位置时散热器的内部流动阻力和流量分布均匀性的区别。基于CFD研究结果，通过制作不同进出口位置散热器的手工样件在台架进行测试，得到不同管口设置的散热器的实测性能区别。结果表明：当进出口水管位置设置不合理会对散热器水阻带来翻倍的影响。通过CFD研究和样件实测，为指导汽车散热器的进出口水管位置设计提供了优化方向。

关键词：汽车散热器 进出口管口位置 散热器水阻 流量分布均匀性

1 引言

汽车散热器无论对于传统燃油车发动机冷却还是新能源电动车电驱冷却都是不可缺少的重要部件。散热器通过循环冷却液与外界空气对流进行热交换，带走系统冷却水路内的热量，保证系统在任何工况下都能维持在合适的温度工作。

散热器的流阻是散热器性能的重要判定指标。如果散热器的流阻越大，不仅会造成水泵的消耗功率增大，而且在系统内会影响到散热器的流量工作点，间接导致散热器在系统内的实际换热性能降低。因此降低流体流经散热器的压力损失是散热器设计的至关重要的环节。本文主要研究在散热器芯体尺寸不变的前提下，改变散热器进水口和出水口位置对散热器流阻的影响。

国内外的学者针对散热器的流阻做了相关研究：文献[1-2]基于CFD仿真分析结合试验得到散热器不同布置形式对冷却性能的影响，相对于横向同种材料布置、纵向同种材料布置，纵向异种材料布置，文章研究得出横向异种材料布置形式的散热效果最佳；文献[3]基于CFD搭建了散热器的分析模型，对散热器的流动特性进行研究。根据最小热阻理论，流体会选择阻力最小的路径；文献[4]采用数值模拟的方法通过设计不同散热器进出口布置方式，对微散热器内流量分配和传热进行研究，I型微通道散热器的通道内流量分布相对比较均匀且呈对称分布，Z型微通道散热器的通道内流量分布均匀性相对较差；文献[5]通过CFD模拟分析散热器流场，基于响应面方法得到冷却液进出口目标参数对于散热器进出口压降的回归方程，最终得到优化的进出口布置使散热器可以获得最小压降；文献[6]采用流体仿真模型分别研究散热器水口双侧与单侧设计在不同流量下的流阻特性分析，结果表明在相同工况下双侧进出口设计流阻特性更优。文献[7]通过CAE软件对水路的分析结合试验数据论证，研究散热器排气管位置布置在散热器进水侧和出水侧两种情况下对发动机温升的影响。

2 CFD仿真分析

2.1 网格模型

基于散热器不同进口位置设计的的模型网格如下：

本文CFD模拟采用FLUENT作为计算软件，并通过网格无关性测试确保网格数量对于结果的精度不会产生影响。在散热器模型的进出口位置设置了拉伸网格来确保进口和出口端的流动稳定性。

2.2 数学模型

本次CFD模拟计算选用FLUENT软件自带的K-Eplison模型，不考虑换热情况下，模型满足三大基本方程，即1）质量守恒方程2）动量守恒方程3）能量守恒方程； 在本次CFD模拟计算中不考虑重力作用。

2.3 边界条件

在设置边界条件时，入口边界条件采用质量流量入口，方向垂直于散热器进水口平面，流量数值按照20L/min，40L/min，60L/min换算设置；介质的物性参数查表按照60℃下的50%乙二醇配比冷却液密度和粘度设置，密度设置为1041.48kg/m3，粘度设置为0.0014kg/m-s；出口边界条件采用标准压力出口。

2.4 CFD压降分析

通过对不同进口位置散热器模型的CFD压降分析，发现进口位置对于散热器的流阻影响明显，图2所示为不同进口位置下散热器流阻的对比情况：

从CFD压降对比数据可以看到，上进上出的散热器模型在流动阻力上远远高于下进上出模型。在低流量情况下，上进上出方案的阻力几乎比下进上出方案高出一倍。随着流量的增加，阻力差距趋于平缓。

2.5 CFD流动均匀性分析

本文采用均匀度指数Uniformity Index来评价不同进口位置对流动均匀性的分析。该评价指标是Weltens等建立的一种流场速度均匀性评价标准，基于统计偏差定义，能够反映流通截面的流体速度分布特性。Uniformity Index的计算公式如下[7]：

Uniformity Index=1-

其中，n为换热器内扁管总根数；为总流量平均到每根扁管内的流量；为每根扁管内的实际流量。

图３所示为不同进口位置模型下CFD计算的散热器每根扁管内流量分布对比：

对比均匀度指数数值如表１所示。

由计算结果可知，下进上出方案的均匀度指数更高，说明下进上出方案的散热器芯体各个扁管内的流量更趋于一致，对于散热器来说芯体内的流动更均匀。通过前期的CFD仿真研究，对不同进口模型下的散热器方案有了初步的数据积累和趋势判断，给到样件制作方案充足的理论参考依据。

3 试验分析

3.1 试验方案

本文研究的散热器手工样件芯体尺寸（长x 高 x 厚）：650mm x 330mm x 16mm，散热器的进出水口设置和CFD仿真分析的方案保持一致。台架试验在汽车散热器性能试验台进行，采用和整车保持一致的50%乙二醇配比冷却液。实验过程中通过试验台各个零部件的系统匹配、参数调节和迭代计算，得出热平衡下的水阻、风阻和散热量等实验数据。散热器的试验设置如图４。

3.2 试验结果和分析

试验工况：风侧参数为风速4m/s，空气温度20℃；冷却液侧参数为冷却液温度60℃，冷却液流量20L/min，30L/min，40L/min。在试验过程中监控冷侧流体和热侧流体的各项数据，直到达到热平衡后取得试验数据如图５：

从试验数据分析可以发现，在台架测试下散热器不同位置进水口设置对于散热器的换热量几乎不会带来变化，但是一个不利于散热器芯体流量分布均匀性的进口管位置会导致散热器的流阻大幅增加。 在整车系统条件下，更大的流阻会导致散热器的工作点偏移，水泵扬程与阻力的交点决定了散热器可以获得的流量。散热器的介质流动阻力越大，散热器在系统内获得的流量越底。因此在试验台架上虽然相同流量下两个不同进水口设置的散热器性能几乎没有偏差，但是在整车系统内考虑到阻力与流量的匹配，最终上进上出的散热器方案在系统内获得的流量会低于下进上出的散热器方案，进而导致上进上出的散热器方案换热能力低于下进上出的散热器方案。对于我们本次研究的对象而言，当散热器一个水口设置在上侧时，另一个水口的设置最好呈对角线布置在下侧。这样设置下的散热器从进口到出口沿各个扁管流通路径下的流动阻力更均匀，没有明显因为流动路径长短区别出现芯体内局部扁管流量增大，而其他位置扁管流量减少的现象。

4 结论

本文通过对散热器不同进口位置的设计进行CFD仿真分析，得到冷却液在散热器芯体内的流动分布情况和流动阻力数据，结果可知：散热器的不同进水口位置对散热器的流阻性能影响很大，考虑到整车布置的接管排水便利性，进出水口相对芯体呈对角线布置，散热器芯体的流量分布均匀性最佳并且散热器的流动阻力最小；以CFD分析结果为指导，采用台架实测的方法对不同进口位置的散热器手工样件做实验研究，试验测试结果与模型仿真分析结果趋势一致，证明我们仿真分析的可靠性与准确性。为今后设计散热器的进出口管口布置提供了重要参考依据。

参考文献：

[1]李重焕，崔淑琴，玄哲浩.管带式散热器优化设计实例[J].设计与计算，1995（4）： 18-21.

[2]黄鹏超，黄镇财，唐焱.基于CFD汽车散热器布置形式对性能影响分析[J].机械设计与制造，2020，4（4）： 140-144.

[3]刘浩丰，赵玉梅，曹福来，等.基于CFD汽车散热器进出水口位置影响分析.机械设计与制造[J].2023，4（4）： 257-260.

[4]夏国栋，蒋静，翟玉玲，等.进出口方式和槽道形状对微散热器内流量分配与传热的影响[J].北京工业大学学报，2014，12（12）： 1869-1875.

[5]钟鸣，万长东，胡忠文，等.客车散热器进出口位置对流阻影响分析及优化[J].机械研究与应用，2018，31（2）： 26-28.

[6]段德昊，熊飞，朱林培，等.散热器进出口布置对流阻影响的仿真分析[J].测试试验，2019（12）： 113-117.

[7]杨晓荣.散热器排气管位置对发动机性能的影响[J].南方农机，2016（7）： 74-75.

[8]侯海焱，吴兆亮.不同进口压板位置的平行流式冷凝器性能研究[J].现代汽车动力，2023（01）： 12-16.