密騰閣，王舫，龍云

（南華大學，湖南 衡陽 421001）

車用散熱器傳熱性能的數值模擬研究＊

密騰閣，王舫，龍云

（南華大學，湖南 衡陽 421001）

車用散熱器作為汽車冷卻系統(tǒng)的重要構成部分，其工作性能的優(yōu)劣將直接影響到汽車發(fā)動機的運行狀態(tài)，進而影響汽車行駛安全。文章采用數值模擬的方法，通過建立散熱器百葉窗翅片的三維數值模型，研究不同進口空氣流速及翅片重要幾何結構參數—翅片間距、百葉窗寬度、開窗角度，對散熱器傳熱性能的影響。結果表明：隨著散熱器進口空氣流速增大，散熱器的換熱系數與壓降損失也逐漸增大；結構模擬優(yōu)化后發(fā)現(xiàn)，散熱器結構參數在翅片間距為2.50mm，百葉窗寬度6.00mm，開窗角度為23°時，換熱性能及阻力性能皆最佳；可為車用散熱器優(yōu)化設計提供參考依據。

車用散熱器；傳熱性能；數值模擬

CLC NO.:U462.1 Document Code: A Article ID: 1671-7988 (2017)15-140-05

前言

散熱器作為汽車冷卻系統(tǒng)的重要組成部分，其工作性能的優(yōu)劣直接影響發(fā)動機的壽命、功率、排放行為以及經濟性[1]。百葉窗式翅片散熱器因其結構緊湊、換熱性能良好且成本較低的優(yōu)點被車用冷卻系統(tǒng)頻繁采用。隨著汽車工業(yè)的迅猛發(fā)展，對汽車發(fā)動機冷卻系統(tǒng)的要求日漸提高[2]。為適應發(fā)動機不斷增加的熱負荷，并局限于發(fā)動機艙有限的空間，迫切需要對散熱器進行散熱性能的優(yōu)化設計。

目前對百葉窗翅片散熱器常用的優(yōu)化設計方法有實驗研究和數值模擬研究兩種方法。實驗研究主要是通過風洞實驗方法測試百葉窗翅片散熱器在不同材質、不同布置形式、不同結構形式下的傳熱性能和流動阻力性能。例如A.Vaisi[3]通過風洞實驗方法對百葉窗翅片式散熱器百葉窗區(qū)域的布置方式進行研究，獲得了散熱器空氣側的傳熱和壓降特性，結果表明百葉窗區(qū)域的布置方式對散熱器的傳熱和壓降特性有比較大的影響。而數值模擬研究主要采用二維或三維方法，針對散熱器的傳熱特性和流動阻力特性進行研究。例如Yu Jue Chang 等人[4]對95個由百葉窗式翅片組成的散熱器的實驗數據進行分析研究，得到摩擦因子f的計算方法。周益民[5]，毛方[6]，王任遠[7]對百葉窗翅片散熱器進行了三維建模，獲得散熱器內流體的流動、傳熱及流阻特性，對散熱器傳熱性能進行優(yōu)化[8]。

鑒于數值模擬方法具有工況變化幅度大，幾何參數設置不受試驗條件限制，計算周期短且省時省力的優(yōu)點，本文采用數值模擬的方法，建立百葉窗翅片式散熱器不同結構參數下的數值模型，并對其進行流動、傳熱和阻力特性研究，計算得到綜合性能最佳的結構參數數據，達到優(yōu)化散熱器結構參數，強化換熱的目的。

1 物理數學模型

百葉窗翅片式散熱器是一種緊湊型散熱器，一般材料為鋁質，散熱器內部的散熱帶部分主要由循環(huán)冷卻水扁平管和焊接在管子上的百葉窗翅片組成[9]。扁平管內吸收發(fā)動機熱量后的循環(huán)冷卻水和風扇作用下流過管外的冷空氣進行換熱，此傳熱過程中，熱阻最大的環(huán)節(jié)在空氣側，因而強化空氣側換熱以減小總熱阻可到達強化散熱的目的。因此，扁平管外加百葉窗翅片可達到強化換熱的目的。

1.1 幾何模型及網格劃分

1.1.1 百葉窗幾何模型

由于散熱器內的翅片數量多且結構復雜，因此對整個散熱器的翅片進行模擬計算則計算量大且建模復雜。由于散熱器內翅片呈周期性地布置且每片翅片間的流道是相等的。同時每個扁平水管之間的距離也是相同的。因此，對散熱器內的單個換熱元件進行模擬計算便可以達到模擬研究的目的。同時，因為百葉窗式翅片散熱器的結構和換熱特點，在建模時可對散熱器數值模型進行以下簡化：

圖1 百葉窗翅片散熱器的幾何模型

a）在空氣流動的方向上，由于散熱器內翅片的重復性，因此只需要選取兩個冷卻水扁平管之間的部分作為建模的對象。

b）在冷卻液的流動方向上，散熱器翅片具有周期性，選取一個周期的翅片結構作為建模對象。

經以上簡化，百葉窗翅片散熱器的幾何模型如圖1所示。

1.1.2 翅片的幾何結構參數

百葉窗式翅片的幾何機構參數包括有：翅片的間距；翅片的寬度；翅片的厚度；翅片的長度；百葉窗的間距；百葉窗的寬度和百葉窗開窗角度。其翅片結構示意圖如圖2所示。

其中，F(xiàn)p：翅片間距(mm)，相鄰兩個翅片之間的距離；Fh：翅片寬度(mm)，兩個冷卻水扁平管之間的距離；σ：翅片厚度(mm)，翅片的厚度；Fd：翅片長度(mm)，翅片在空氣流動方向的距離；Lp：百葉窗間距(mm)，相鄰兩個百葉窗的距離；Lh：百葉窗寬度(mm)，百葉窗在翅片上的長度；La：百葉窗開窗角度(°)，百葉窗與水平的傾斜角。實驗及模擬研究結果表明，百葉窗散熱狀況主要受百葉窗翅片間距Lp、百葉窗寬度Lh和百葉窗開窗角度La的影響。因此本文主要研究這三個因素對翅片流動和換熱的影響，并對這些因素進行模擬優(yōu)化。

1.1.3 網格劃分

采用ICEM軟件對幾何模型進行網格劃分。散熱器的基本結構比較復雜，因此采用非結構化網格對流體區(qū)域和翅片區(qū)域進行網格劃分，由于在貼近翅片表面的邊界層區(qū)域內，流場及溫度場變化比較劇烈，對此區(qū)域進行局部加密處理，共劃分了34218個網格。網格劃分后的模型如圖2所示。

圖2 百葉窗翅片散熱器網格劃分

1.2 邊界條件

散熱器入口邊界條件設置為速度入口，入口流速范圍2-12m/s；出口設置為壓力出口；扁平水管壁面認為其溫度恒定，設置為等溫壁面邊界，溫度設為370K；散熱器內流動和換熱具有周期性特點，因而計算區(qū)域的上下表面設置為周期性邊界；由于兩個扁平管之間的區(qū)域具有對稱性，為提高計算速度，選取一半進行模擬計算，故中間對稱面設置為對稱邊界。

1.3 數學模型及求解方法

本文主要研究的是空氣在流經百葉窗式翅片時的穩(wěn)態(tài)換熱的過程，入口的空氣流速為2.0-12m/s，通過計算，雷諾數的取值范圍為221-2134，屬于層流。因此模擬空氣場流動選用的是層流模型。運用到的求解方法是SIMPLE算法。為求解溫度場和速度場需對質量、動量和能量方程進行耦合求解。三個控制方程分別為：

（1）質量方程

其中，ρ是密度，t是時間，u，v，w，是速度矢量u在x，y，z方向的分量；μ是動力粘度，p是流體微元體上的壓力，Su，Sv，Sw是動量守恒方程的廣義源項；Cp是比熱容，T是溫度，k是流體的傳熱系數，ST為流體的內熱源及由于粘性作用于流體機械能轉換為熱能部分。

2 模擬結果分析

2.1 空氣入口流速對傳熱性能的影響

結合散熱器的實際工況，選取三個具有代表性的工況作為研究內容，分別是入口空氣流速取V=2.0m/s；V=6.0m/s；V=12.0m/s。而散熱器物理模型選結構參數分別為翅片間距2.5mm，寬度7.8mm，厚度0.1mm，長度33mm；百葉窗間距1mm，百葉窗寬度5mm，百葉窗角度為23°。通過模擬計算可得到三個工況下的翅片附近的速度場和溫度場分布，如圖3和圖4所示。

圖3 入口空氣流速分別為2.0m/s，6m/s，12m/s時翅片入口附近的速度分布

圖4 入口空氣流速分別為2.0m/s，6m/s，12m/s時翅片入口附近的溫度分布

由圖3和4可知，隨著散熱器入口空氣流速的增大，流過翅片時的速度不斷增大，進而對流換熱系數有所增大，翅片附近溫度降低越來越明顯，散熱效果隨速度增大而增強。為進一步研究入口空氣流速對傳熱性能的影響，補充幾組流速數據，進一步模擬分析，流速模擬工況分別為空氣流速為2m/s，4m/s，5m/s，6m/s，8m/s，9m/s，10m/s和12m/s。對這八個入口空氣流速工況進行模擬計算，得到在對應工況下的翅片表面平均溫度（圖5）、散熱器的的傳熱系數（圖6）及空氣進出口壓降損失值（圖7）的計算結果。綜合分析傳熱情況及壓損情況得出流速對散熱器傳熱特性的影響規(guī)律。

圖5 翅片表面平均溫度隨入口空氣流速變化曲線

圖6 翅片表面?zhèn)鳠嵯禂惦S入口空氣流速變化曲線

由圖5和圖6可知，隨著入口空氣流速的增大，對流換熱增強，單位時間帶走的熱量提高，翅片表面溫度隨流速增大而降低，而翅片的表面?zhèn)鳠嵯禂惦S流速增大而增大。由圖7可知，隨入口空氣流速增大，流動阻力增大，故壓力損失，即進出口壓降隨流速增大而提高。這說明，隨著入口空氣流速的增大，百葉窗對空氣的阻力是越來越大的，因此所需的風扇的耗能也是越來越大。在提高散熱器換熱系數的同時也意味著風扇耗能的提高。因此，在選擇入口空氣流速強化換熱時需同時考慮流速對換熱情況和壓損的影響。

圖7 進出口壓降隨入口空氣流速變化曲線

2.2 翅片重要幾何參數對傳熱性能的影響

2.2.1 翅片間距對傳熱性能的影響

百葉窗式翅片散熱器在一定的結構參數條件下，翅片的間距決定了管帶式散熱器翅片的疏密程度，模擬研究翅片間距分別為Fp=2.00mm，F(xiàn)p=2.25mm，F(xiàn)p=2.50mm時其傳熱和流阻情況。

圖8 不同翅片間距下，翅片表面?zhèn)鳠嵯禂担╝）及進出口壓降（b）隨入口空氣流速變化曲線

圖8（a）為百葉窗翅片間距是Fp=2.00，F(xiàn)p=2.25mm，F(xiàn)p=2.50mm時的翅片表面?zhèn)鳠嵯禂登€。Fp=2.25和Fp=2.50的散熱器傳熱系數曲線相當接近，近似重合。而Fp=2.00的散熱器傳熱系數在2-6m/s區(qū)間較其他兩條曲線高出一部分。但隨著入口空氣流速再度提高，三條曲線之間距離越來越近。圖8（b）為翅片間距分別為Fp=2.00mm，F(xiàn)p=2.25mm，F(xiàn)p=2.50mm時，百葉窗翅片空氣側進出口壓降隨入口空氣流速提高的變化規(guī)律圖。隨著翅片間距變大，在同一工況條件下，空氣壓降損失是逐漸降低的。而在一定的翅片間距條件下，壓降隨入口流速增大而增大。綜合分析傳熱和流阻影響，在不同翅片間距，同一進口流速條件下，翅片間距的變化對翅片表面?zhèn)鳠嵯禂涤绊懖淮螅请S著翅片間距的增大，壓力損失呈減小趨勢，且流速越大其減小趨勢越明顯，因而翅片間距Fp=2.50散熱器的綜合性能最好。

2.2.2 百葉窗寬度對傳熱性能的影響

百葉窗寬度會影響到翅片對空氣流場的擾流作用，從而改變翅片表面的傳熱特性。模擬研究百葉窗寬度分別取Lh=5.00mm，Lh=6.00mm，Lh=7.00mm時的翅片傳熱和流阻情況。

圖9 不同百葉窗寬度，翅片表面?zhèn)鳠嵯禂担╝）及進出口壓降（b）隨入口空氣流速變化曲線

圖9(a)為百葉窗寬度是Lh=5.00mm，Lh=6.00mm，Lh=7.00mm時的翅片表面?zhèn)鳠嵯禂登€。分析可知，同一百葉窗寬度條件下，翅片表面換熱系數隨空氣流速的增加而增加；同一空氣流速條件下，翅片表面換熱系數隨百葉窗寬度的增大而增大，因此在Lh取7.0mm時換熱系數最大，且流速越大，其差別越明顯。圖9(b)為百葉窗寬度是Lh=5.00mm，Lh=6.00mm，Lh=7.00mm時，出口壓降隨入口空氣流速提高的變化規(guī)律圖。分析可知，隨著百葉窗的寬度增大，進出口的壓降將會增大，而且隨著流速的提高，這個增長的趨勢將會變得更快。綜合分析傳熱和流阻影響，當百葉窗的寬度為6.00mm時，散熱器的傳熱系數與寬度為7.00mm的散熱器的換熱系數接近，僅相差3.5%，但是壓降損失卻比后者小了13%。因此，百葉窗寬度為6.00mm時，翅片綜合性能最好。

2.2.3 百葉窗開窗角度對傳熱性能的影響

百葉窗具有一定的開窗角度，經百葉窗時流體的流動方向會發(fā)生改變，變成與開窗角度一致的方向流動。模擬研究百葉窗開窗角度La分別23°，26°，29°，其他結構參數為Fp=2.25mm，Lh=6mm時的傳熱和流阻情況。

由圖10（a）可知，在一定的空氣流速下，傳熱系數隨開窗角度La的增大而增大，即開窗角度為29°時傳熱系數最大，且隨著空氣流速的增大，同一開窗角度下，傳熱系數也增大；在入口空氣流速為12m/s時，當百葉窗開窗角度從23°

增加到26°時，百葉窗翅片的表面?zhèn)鳠嵯禂翟鲩L為3%。當開窗角度從26°增長到29°時，散熱器的傳熱系數增長了1%；開窗角度增長幅度都是3°，但是散熱器的傳熱系數增長率卻隨開窗角度的增大而減小。由圖10 (b)可知，隨著百葉窗開窗角度的增大，進出口的壓降將會增大，而且隨著流速的提高，這個增長的趨勢將會變得更快。綜合分析傳熱和流阻影響，開窗角度為23°的翅片傳熱傳熱系數與開窗角度為29°的翅片傳熱系數幾乎相同，僅相差2%。但是開窗角度為23°的翅片的壓降損失卻比后者小了7%。從以上分析可得，百葉窗開窗角度為23°時綜合性能最好。

圖10 不同開窗角度，翅片表面?zhèn)鳠嵯禂?a)及進出口壓降（b）隨入口空氣流速變化曲線

3 結論

本文對百葉窗翅片運用CFD方法進行數值計算，研究不同進口空氣流速及翅片重要幾何結構參數，對散熱器傳熱性能的影響，得到如下結論：

（1） 隨著進口流體速度的增大，散熱器的傳熱系數也會增大，同時流體的壓降損失也會變大，這意味著風扇的耗能也會變大，因此，在選擇入口空氣流速強化換熱時需同時考慮流速對換熱情況和壓損的影響。

（2） 通過對翅片重要幾何結構參數—翅片間距、百葉窗寬度、百葉窗開窗角度的模擬分析，綜合傳熱和流阻的影響，翅片間距為2.50mm，百葉窗寬度為6mm，開窗角度為23°的散熱器模型綜合性能最佳。

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Numerical Simulation of Heat Transfer Performance of Vehicle Radiator

Mi Tengge, Wang Fang, Long Yun
（University of South China, Hunan Hengyang 421001）

As an important part of the car cooling system, the performance of car radiator will directly affect the running state of the car engine, which will affect the safety of the car. This paper uses the numerical simulation method, the threedimensional numerical model is established. The influence of the inlet air velocity and the important geometric parameters of fin spacing, louver width and window angle on the heat transfer performance of the radiator is investigated. The results show that the heat transfer coefficient and pressure loss of the radiator increase with the increase of air velocity at the inlet of the radiator. The structural optimization shows that the heat transfer performance and the resistance performance of the radiator are best when the fin spacing is 2.50mm, the louver width is 6.00mm, and the window angle is 23 degrees, which can provide reference for the optimization design of vehicle radiator.

vehicle radiator; heat transfer performance; numerical simulation

U462.1

A

1671-7988 (2017)15-140-05

密騰閣，碩士，就職于南華大學，研究方向：節(jié)能理論與技術研究。項目基金：衡陽市科技計劃項目（編號2015KG56）。

10.16638/j.cnki.1671-7988.2017.15.052