冯浩明
广东鑫统仕车用热系统有限公司
摘要：为了降低散热器的设计成本并提高计算精度，利用ＰｏｗｅｒＢｕｉｌｄｅｒ开发了汽车水散热器设计软件，其计算功能包括校核计算、翅片间距优化计算、翅片高度优化计算、管长优化计算及管排数优化计算。对比分析试验表明：计算结果具有较高的精度。计算分析翅片间距、开窗角度、风速及冷却液中乙二醇百分比对散热器性能的影响。研究表明：减小翅片间距及增大风速可提高换热性能；减小开窗角度可降低风侧阻力；增大乙二醇百分比可降低冷却液出口温度。
关键词：内燃机；管带式水散热器；开发
引言
从理论分析角度对管带式车用散热器的传热进行了较详细的理论分析，从散热器的结构尺寸到散热面积、当量直径，从定性温度到物性参数，从各准则数到散热系数，再到散热量的计算，最后对散热量进行校核计算。
1散热器芯体零部件参数化模型的建立
1）散热带参数化模型的建立。散热带指的是于波浪带滚压轧机的外表冲出百叶窗空，同时严格根据设计翘片彼此间隔翻折从而实现，在散热带上冲压百叶窗的作用具体在于：一个是冲压出的百叶窗相当于加强筋，这样就使散热带的强度大大增加；还有一个就在于冲压的百叶窗也将扩大散热带的有效热传播截面。同时由于百叶窗的存在，气流在流经散热带时气流方向会向百叶窗板倾斜的方向发生偏转。这样就会出现一问题，相邻两波带百叶窗板倾斜方向是否影响散热效果。
2）散热管参数化模型的建立。散热管隶属于薄壁件是在咬缝管制机表层进行单次的无缝对接从而实现的，接着将其表层镀上锡金属和散热带的高温焊接。它的作用是通过主片连接上水室和下水室实现冷却液在散热器内的循环。由于在SolidWorks中三维参数化模型的建立可以由各种不同的特征加上驱动尺寸来完成，但从提高效率的角度考虑，相同零件的参数化模型需要选择尽量最低的特征与尺寸参数去进行合理的表述。因此，经过分析散热管的结构，确定用薄壁拉伸特征来绘制散热管模型，且内部尺寸参数还非常少。
3）主片参数化模型的建立。管带式汽车散热器的主要芯片为钣金件，其的工作目的在于稳固热量疏散管与水室的无缝对接。基于对主片的结构的分析和评估，以及除此之外别的零部件的有效紧密相连可以看出，主片的主驱动参数是：散热管管宽、散热管管距、散热管管截面宽度以及散热管管数。主片的主驱动参数与散热管的主驱动参数相比有两个参数相同，也就是说主片可以通过这两个相同的主驱动参数建立零部件之间的关联。根据加工工艺和结构要求主片的其它参数可以通过方程式依附于这些主驱动参数。
4）散热器外挂附加件参数化模型的建立。散热器外挂附加件主要包括：上水室、下水室、左侧板、右侧板、左装机架以及右装机架。这里面，上下两种水室的目的在于存储降温液，同时基于通路去形成冷却液在散热器里面的不断转换，左侧板和右侧板的作用是安装给散热器提供气流的风扇，左装机架和右装机架的作用是把装配好的散热器装配到汽车机架上。在这些零部件中左装机架和右装机架的受力最复杂，它要承受散热器给它向下的拉力和汽车机架的震动。因此，本节散热器外挂附加件参数化模型的建立将从左装机架和右装机架开始。
5）参数化执行模块设计。在SolidWorks里面参数化，参数化建模的基本的实现途径在于：①通过尚且具备的零件模型，确保具体系统架构没有任何改变的基础上，将零件的尺寸标注视为变化系数，赋予各自不一样的尺寸值，由此一来得到相关的尺寸以及结构相同但是规格有所差异的相似零件，被称之为尺寸驱动法；②采取编程去形成参数化设计，也就是使用者具体依照需要，来通过程序生成自己所需的模型，被称之为程序驱动建模法；③混合驱动法，即用尺寸驱动和程序驱动两种方法建立模型，如用尺寸驱动法建立模型草图，用程序驱动法建立模型特征。此科研课题采取了不同方案的参数化建模方法，包括尺寸驱动法、程序驱动法以及复合式驱动法，在这里面，前者的类型有这样两个种类：一是通过用户界面输入参数进行实时建模；然后为基于调用模型特征参数数据库去创建和完善该目标对象的模型。具体过程需要通过经验及尺寸计算得出。
2Fluent数值模拟及优化分析
2.1数值模拟仿真
首先在前处理器Gambit中画出汽车散热器的模型，由于散热器模型中，上、下水室与扁管之间尺寸相差过大，因此需要利用split将水室与扁管分割。同理，在网格划分时需要将Hex与Tex/Hybrid两种划分方式相结合：即散热管中间部分，选用体网格中的Hex选项中的Max进行网格划分；对于上水室以及下水室，选用体网格中的Tex/Hybrid选项中的TGrid进行网格划分。通过网格质量检查发现网格质量良好，符合要求。将散热器进水口面设为inlet，选择VELOCITY-INLET，出水口面设为outlet，选择OUTFLOW，为了后续容易设置材料其他面统一设为WALL。保存后导入到FLUENT3D中，读入网格文件，检查网格，平滑网格，确定模型单位长度为cm，启动能量方程，选中Energy，选择湍流模型k-epsilon，设置内部材料为water-liquid[h20<1>]，设置入口边界，入口速度为1.5m/s，初始化，打开残差窗口选中Plot，残差填入10-5，开始迭代。利用不同颜色表示大小显示速度场，观察速度变化。利用Display-Vectors显示速度矢量场，并进行观察。
2.2仿真结果分析
结合流体动力学仿真与实验测试结果分析可知，在没有安装水室整流装置的散热器内，防冻液在上下水室及扁管内的流速分布如图12中所示，可见其速度分布非常不均匀，在临近防冻液入口及防冻液出口处的几根散热扁管内流速较高，其他部位的扁管内流速较低。图13所示为加装水室整流装置后汽车散热器内流速分布示意图，可见在临近防冻液入口及防冻液出口处的几根散热扁管内的较高流速得到了有效均化，散热扁管内的流速分布更加均匀，临近防冻液入口及出口位置扁管内的流速与其他扁管内的流速已无明显差别。
结语
（１）减小散热器的翅片间距，散热量逐渐增大，水出口温度明显降低，但风侧阻力逐渐增大。（２）增大冷却风风速可有效提高总散热量，降低水出口温度，但增大了风侧阻力。（３）减小开窗角度可有效降低风侧阻力，但散热器总散热量逐渐降低，水出口温度升高。（４）当冷却液体积流量一定时，增大冷却液中乙二醇的质量百分比可有效降低冷却液出口温度，但水侧阻力逐渐增大。
参考文献
[1]朱文英，田子龙，张永栋．管带式汽车散热器传热与阻力预测模型的建立［Ｊ］．现代商贸业，２０１２（５）：１８６－１８８．
[2]王任远,李建雄,吴金星.散热器空气侧百叶窗翅片结构参数优化[J].流体机械.2013,41(6):74-78.
论文作者:冯浩明
论文发表刊物:《中国西部科技》2019年第23期
论文发表时间:2019/11/27
标签：散热器论文; 参数论文; 模型论文; 冷却液论文; 网格论文; 流速论文; 百叶窗论文; 《中国西部科技》2019年第23期论文;