朱茂桃，姚 鵬，田春虎

（江蘇大學(xué)汽車與交通工程學(xué)院，江蘇 鎮(zhèn)江 212013）

1 引言

近年來，汽車發(fā)動(dòng)機(jī)逐步向高功率化發(fā)展，以及正在興起的電動(dòng)汽車中動(dòng)力電池、電機(jī)及電機(jī)控制器等發(fā)熱元件的使用，需要散熱器帶走的熱量增加；同時(shí)，汽車節(jié)能減排趨勢對散熱器提出了輕型、緊湊的設(shè)計(jì)要求。因此，提升散熱器綜合換熱性能，是研究百葉窗翅片式散熱器性能的關(guān)鍵所在。

基于計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)與風(fēng)洞散熱試驗(yàn)的不斷進(jìn)步，國內(nèi)外學(xué)者不斷尋求精度更高的百葉窗翅片式散熱器性能模擬方法，力求提升百葉窗翅片式散熱器的綜合性能。文獻(xiàn)[1]利用數(shù)值仿真方法分別研究了雷諾數(shù)在（70～350）時(shí)，平直翅片與百葉窗翅片性能隨空氣入口速度與翅片間距的變化情況，并充分證實(shí)了百葉窗翅片在換熱性能中的優(yōu)越性。文獻(xiàn)[2]提出了一種可以在百葉窗中心形成空氣渦流的翅片結(jié)構(gòu)，通過三維數(shù)值模擬驗(yàn)證優(yōu)化效果的同時(shí)也驗(yàn)證了渦流的換熱強(qiáng)化作用。文獻(xiàn)[3]通過長期試驗(yàn)研究后得到了51 組傳熱表面的傳熱和阻力特性數(shù)據(jù)，得到了翅片結(jié)構(gòu)對于換熱性能的影響規(guī)律，并探究出一種設(shè)計(jì)緊湊式換熱器的理論方法。

提出了一種新型百葉窗翅片結(jié)構(gòu)方案，即將百葉窗設(shè)計(jì)為變厚度的尖錐形結(jié)構(gòu)。在試驗(yàn)的基礎(chǔ)上對模型的仿真結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證，并依次分析了截面厚度與間距漸變量對翅片性能的影響規(guī)律，對比了優(yōu)化后模型與原始模型的性能。

2 散熱器

2.1 散熱器模型

研究對象為江蘇某散熱器供應(yīng)商提供的一款百葉窗翅片式散熱器，其原始模型，如圖1 所示。該款百葉窗翅片式散熱器主要由左右水室、主板、側(cè)板、百葉窗翅片、扁管及密封圈等結(jié)構(gòu)組成。

圖1 散熱器結(jié)構(gòu)組成Fig.1 Geometric Model of Graph Radiator

2.2 百葉窗翅片換熱模型

百葉窗翅片在散熱器的散熱性能提升中起到關(guān)鍵作用，且多孔介質(zhì)參數(shù)均來源于百葉窗翅片的性能仿真結(jié)果[4]。百葉窗翅片結(jié)構(gòu)參數(shù)示意圖，如圖2 所示。而具體參數(shù)值，如表1 所示。

圖2 百葉窗翅片結(jié)構(gòu)參數(shù)示意圖Fig.2 Schematic Diagram of the Structural Parameters of Louver Fin

表1 百葉窗翅片結(jié)構(gòu)參數(shù)Tab.1 Structural Parameters of a Louver Fin

為在百葉窗翅片原始模型的基礎(chǔ)上進(jìn)一步減小因氣流沖擊產(chǎn)生的局部阻力，減少氣流邊界層對換熱的阻礙，以提升翅片的換熱及流動(dòng)性能，提出的尖錐形百葉窗翅片結(jié)構(gòu)，如圖3 所示。此結(jié)構(gòu)主要對百葉窗片的截面形狀進(jìn)行了改進(jìn)，打破了傳統(tǒng)的百葉窗片結(jié)構(gòu)形式。定義百葉窗片截面的軸線處厚度為δ1、兩端厚度為δ2，且δ1+δ2=2δ，因此，此尖錐形百葉窗翅片結(jié)構(gòu)較原始模型的體積及質(zhì)量并未發(fā)生改變，只會小幅降低百葉窗片的換熱面積。

圖3 尖錐形百葉窗翅片結(jié)構(gòu)Fig.3 Cone Shaped Louvered Fin Structure

3 散熱器性能仿真

3.1 網(wǎng)格控制

建立百葉窗翅片的計(jì)算模型，在流動(dòng)復(fù)雜的流固交界面區(qū)域進(jìn)行邊界層網(wǎng)格劃分，將百葉窗翅片換熱模型的網(wǎng)格劃分?jǐn)?shù)量確定為124 萬。百葉窗翅片換熱模型的邊界條件設(shè)置[5]，如圖4 所示。

圖4 百葉窗翅片換熱模型邊界條件設(shè)置情況Fig.4 Boundary Condition Setting for Heat Transfer Model of Louver Fin

在散熱器整體計(jì)算模型中，采用以多孔介質(zhì)取代百葉窗翅片的簡化方式，多孔介質(zhì)參數(shù)由翅片換熱模型計(jì)算得到。散熱器仿真散熱效果，如圖5 所示。

圖5 散熱器溫度云圖Fig.5 Temperature Distribution of Radiators

3.2 數(shù)值仿真結(jié)果驗(yàn)證

將風(fēng)洞散熱試驗(yàn)與散熱器換熱模型的數(shù)值模擬的結(jié)果進(jìn)行對比，結(jié)果誤差在5%以內(nèi)，驗(yàn)證了散熱器仿真模型的正確性。結(jié)果對比，如表2 所示。

表2 散熱器出口溫度仿真與試驗(yàn)結(jié)果對比Tab.2 Comparison Between Simulation and Experimental Results of Radiator Outlet Temperature

4 百葉窗翅片綜合性能優(yōu)化設(shè)計(jì)

通過試驗(yàn)對原始模型仿真方法的正確性進(jìn)行了驗(yàn)證。在此基礎(chǔ)上，對尖錐形百葉窗翅片的綜合換熱能力進(jìn)行分析。并引用文獻(xiàn)[6]于1984 年提出的j-f 因子評價(jià)方法，分析了不同的尖錐形百葉窗翅片的結(jié)構(gòu)以及百葉窗間距的性能，最終將優(yōu)化模型與原始模型進(jìn)行對比。

JF 因子的具體表達(dá)式為[7]：

式中：jref、fref—樣機(jī)的傳熱因子與摩擦因子。

4.1 尖錐形百葉窗翅片結(jié)構(gòu)方案分析

空氣入口流速為10m/s 工況下，尖錐形百葉窗翅片的傳熱因子j 與摩擦因子f 隨中間截面厚度δ1的變化趨勢，如圖6 所示。

圖6 δ1 對j 因子與f 因子的影響趨勢Fig.6 The Influence Trend of δ1 on j Factor and f Factor

可以看出，隨δ1尺寸的遞增，傳熱因子j 的數(shù)值呈現(xiàn)出逐漸減小的趨勢。這是因?yàn)殡Sδ1的增大尖錐形百葉窗翅片的百葉窗片前緣處間距增大，能夠迫使更多的氣流進(jìn)入百葉窗區(qū)域進(jìn)行換熱；空氣在流經(jīng)百葉窗區(qū)域時(shí)流速不斷變化，且彎折的百葉窗表面有利于破壞邊界層，最終j 因子產(chǎn)生小幅縮減。而摩擦因子f 則隨δ1的增大呈現(xiàn)出較為明顯的降低趨勢，這主要是因?yàn)楫?dāng)δ1=0.1mm 時(shí)，流向百葉窗方向的氣流與百葉窗厚度方向端面發(fā)生沖擊產(chǎn)生較大的局部阻力，而尖錐形翅片可以減小甚至消除此阻力，有利于流動(dòng)性能的提升。

當(dāng)δ1=0.2mm 時(shí)翅片的綜合性能評價(jià)因子JF 值達(dá)到最大，此時(shí)JF=1.068，相較于δ1=0.1mm（即原始模型）時(shí)JF 值提升了6.4%。因此，此尖錐形百葉窗翅片結(jié)構(gòu)可在原始翅片基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)綜合換熱性能的進(jìn)一步提升。

4.2 變百葉窗間距結(jié)構(gòu)方案對比

分析δ1=0.2mm 時(shí)尖錐形百葉窗翅片速度云圖，如圖7 所示。最后一級百葉窗通道內(nèi)的空氣流量增加，減弱了其他百葉窗片通道之間的空氣動(dòng)能，各百葉窗之間的空氣流量分配均勻性變差。為獲得性能更優(yōu)的強(qiáng)化傳熱百葉窗翅片，在δ1=0.2mm 時(shí)尖錐形百葉窗翅片結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，提出了7 種單側(cè)相鄰兩百葉窗間距平均值的遞減量分別為0.02mm、0.04mm、0.06mm、0.08mm、0.1mm、0.12mm 及0.14mm 的翅片結(jié)構(gòu)，以尋求更優(yōu)的百葉窗間距組合方式。

圖7 δ1=0.2mm 時(shí)尖錐形百葉窗翅片速度云圖Fig.7 Velocity Contour of Shape Pointed Louver Fin at δ1=0.2mm

隨百葉窗間距遞減量的增大，百葉窗翅片的傳熱因子j 先增大后減小，這一趨勢與進(jìn)入百葉窗區(qū)域的空氣量及邊界層的生成有關(guān)，如圖8 所示。而百葉窗翅片的摩擦因子f 在δ1=（0.02～0.06）mm 時(shí)變動(dòng)較小，當(dāng)δ1>0.06mm 時(shí)，摩擦因子f 隨δ1的增大而顯著增加，這主要是由于后側(cè)百葉窗之間過小的間距增大了空氣的流動(dòng)阻力。當(dāng)百葉窗間距遞減量為0.06mm 時(shí)取得最優(yōu)JF 因子值，此時(shí)JF=1.094，在尖錐形百葉窗翅片基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)了綜合性能的進(jìn)一步提升。

圖8 百葉窗間距遞減量對j 因子與f 因子的影響趨勢Fig.8 Influence of Louver Spacing Reduction on j Factor and f Factor

4.3 優(yōu)化模型對翅片性能影響機(jī)理分析

原始模型與優(yōu)化模型（百葉窗中間截面厚度δ1=0.2mm、百葉窗間距遞減量=0.06mm）的空氣流速分布云圖，如圖9 所示。由圖可見，優(yōu)化模型較原始模型的最高流速值更小，這主要是由于優(yōu)化模型中的百葉窗片前緣形狀改為尖角后對氣流的阻礙作用減弱，減少了氣流對百葉窗前緣壁面的沖擊。優(yōu)化模型中百葉窗片之間的空氣流速增大，加之百葉窗表面的彎折處理使得百葉窗區(qū)域中的空氣流動(dòng)狀態(tài)更加復(fù)雜，使得優(yōu)化模型較原始模型的低流速邊界層更薄[8]。同時(shí)將圖9 與圖7 對比可知，優(yōu)化模型中的百葉窗之間氣流流速與流量分配更加均勻，這將有效地提高百葉窗翅片的換熱能力。將最終優(yōu)化后的性能優(yōu)化結(jié)果與原始模型進(jìn)行對比，如表3 所示?？梢?，相對于原始模型的翅片性能，氣側(cè)溫升升高了6.77%，氣側(cè)壓降降低了22.25%，綜合性能評價(jià)因子JF 提升了9.07%。

圖9 兩種模型空氣速度云圖Fig.9 Air Velocity Contours of Two Models

表3 原始模型與優(yōu)化模型的性能對比Tab.3 Comparison of Two Models

5 結(jié)論

首先在翅片原始模型的基礎(chǔ)上提出了尖錐形百葉窗翅片結(jié)構(gòu)，分析了不同百葉窗中間截面厚度及百葉窗間距遞減量對尖錐形翅片換熱性能及流動(dòng)性能的影響情況，根據(jù)數(shù)值仿真結(jié)果確定了最終的優(yōu)化模型；最后，將優(yōu)化模型與原始模型的傳熱性能及流動(dòng)性能進(jìn)行對比，結(jié)果表明，優(yōu)化模型相對于原始模型的翅片性能，綜合性能評價(jià)因子JF 提升了9.07%。這種尖錐形翅片結(jié)構(gòu)對今后提升散熱器綜合換熱性能的相關(guān)研究具有一定的參考價(jià)值。