基于Fluent软件的汽车散热器双侧三维数值模拟

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　文章编号:ISSN1005-9180(2007)01-0078-05Ξ

No.1,2007,Mar.

　　　　　　　　　Vol.26(TotalNo.98)

基于Fluent软件的汽车散热器双侧三维数值模拟

潘伟东,巫江虹

(华南理工大学,广州510641)

[摘要]

本文在对汽车散热器的物理模型单元进行了合理的简化处理后,利用Fluent软件,采用SIMPLE

算法和标准k-e湍流模型,通过求解三维N-S方程和能量方程模拟了空气在散热器空气侧流动,水在散热器的水侧流动的双侧传热过程。计算出散热器的平均换热系数,并通过模拟两种尺寸和五种流速的情况展示出提高散热器的散热效率的几种常规做法。

[关键词]

汽车散热器,双侧传热,平均换热系数,Fluent,3D数值模拟仿真

TB65715　　　　　　　　　[文献标识码]

A

[中图分类号]

The3DNumericalValueofPANWeidong,(SouthChinaUniversity,510641)

Abstract:Afterrationalofphysicalmodel,byusingtheFluentsoftware,adopt2ingtheSIMPLE-m,solvingtheN-Sequationandenergyequation,thistextsimulatesthe2andflowontwosidesofautomobileradiator1Comparingseveraldifferentsizeandvelocityofsaveragesurfaceheattransfercoef1,conclusionsaredrawnonhowtoimprovethestructureofthepurposetoincreasetheaveragesurfaceheattransfercoef1oftheautomobileradiator

1

Keywords:Automobileradiator,2sidesflow,Averagesurfaceheattransfercoef1,Fluent,3Dnumericalvaluesimu2lation

1　前言

汽车散热器是汽车发动机冷却剂与空气进行热交换的换热设备,汽车水冷发动机散热器由散热芯、进水室和出水室三部分组成。冷却液在散热器内流动,空气从散热器外高速流过,冷却液和空气通过散热器内部进行热量交换。其性能好坏对发动机的动力性、经济性和可靠性有很大的影响。如果散热器的散热能力太小,导致冷却液的工作温度过高,发动机零件会因过热而变形(甚至会使零件损坏),降低发动机机械强度和刚度、破坏润滑油膜,使发动机的性能下降。在汽油机中的因散热不良而

产生的高温可燃混合气常常会产生早燃或爆燃,导致不正常工作。如果冷却水的工作温度高于沸腾温度,甚至会使发动机出现“开锅”现象。如果散热器散热能力过高,首先将热量过多散发到大气中去就必然要损耗一部分本来可以利用的燃烧热能,影响汽车运行的经济性;其次机油在低温时粘度增高,零件运动的磨擦阻力增加,输出功率减少,影响汽车的动力性。因此,设计和使用优良的散热器是保障汽车发动机良好运行的必要条件。

汽车发动机散热器采用紧凑式散热芯子,以散热器的芯部结构形式分类可以分为管片式和管带式两大类(其具体形式参见图1)。管片式散热器芯部由许多细的冷却管和散热片构成,管片式散热器

Ξ收稿日期:2006-7-28;修回日期:2006-9-29　　　作者简介:潘伟东(1981-),男,硕士研究生,主要研究方向为空调系统节能和散热器强化传热。E-mail:panweidong3@

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翅片有平板翅、波形翅和百叶窗形翅,其冷却管大

多采用扁圆形截面,以减小空气阻力,增加传热面积,也有采用扁平管的[1]。管片式散热器散热面积大,气流阻力小,结构刚度好,承压能力强,但制造工艺比较复杂,多用于使用工况较差的载重车辆。

管带式散热器是由波纹状散热带和冷却管相间排列经焊接而成的,与管片式散热器相比,管带式散热器在同样的条件下,散热面积可以增12%左右,另外,散热带上开有扰动气流的类似百叶窗的孔,提高散热能力。开百叶窗波状带的散热器传热效率同普通平片散热片相比可提高160%。由于这种形式的散热效果好,便于制造,质量轻,故被广泛采用,但其结构强度和刚度不如管片式,

多用于轿车及轻型车。

2　计算模拟过程

211　计算域的确定和参数设定

本问题中的计算域为汽车散热器双侧的流体的流动区域。

计算运用的控制方程为三维不可压缩流动的连续性方程及N-S动量及能量方程。++=0xyz

ρ(+u+v+w)=

txyzη(222)-+u+v+wt5x25y25z2

)

ρ(+u+v+txyzη22-+5x22)

u+w

txyzη(222)u+v+wz5x25y25z2212　gambit建模过程　　

+Fx=+Fy=+Fz

Gambit是fluent的前处理模块,用来建立三维

模型和网格划分以及设定边界条件。此次我们模拟的是铝制的管片式散热器。具体形状如图2所示,模型分为上、中、下三部分,上面的是空气侧,中间是铝制散热器,下面的是水侧。

管带式　　　　　　　　　　管片式图1　管带式散热器和管片式散热器示意图[2]

随着汽车的发动机的转速和功率越来越高,其热负荷也变得越来越大,

因而对汽车散热器的要求也相应地提高,不但要求散热器要有好的散热能

力,而且在材料,结构和重量方面也提出了新的要求,目前汽车散热器正在向轻型,高效,经济方面发展。散热器的传热特性、流阻特性和材料消耗量等都是结构设计的主要指标。由于散热器的结构比较复杂,影响的因素比较多,许多计算项目是相互关联的,采取传统的设计方法比较费时,而且往往会忽视上述指标,其传热及阻力特性也需要由试验测定。这在一定程度上延长了设计周期

,对新产品的开发是不利的。因此,对汽车发动机散热器特性进行仿真研究是必要的。

图2　散热器的物理建模

本次模拟分别对壁厚为015mm和1mm两种散

热器进行分析比较。由于两个模型的形状和大小都一样,不同的只是散热器的壁厚,所以这里的图是壁厚为015mm的散热器的示意图。

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散热器的网格划分采用cooper形式,设定的网

格步长012。

015mm散热器的空气侧节点数为141036个,水侧节点数为122360个,散热器的节点数为432308个。

1mm散热器的空气侧节点数为107541个,水

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壁面温度相同。

计算在fluent下完成,计算紊流模型采用标准k-ε模型,压力—速度耦合采用SIMPLE方法,环境压力为一个标准大气压,各边界条件设定如下:

空气的进口温度为300K,流动速度第一次为12m/s,第二次为14m/s,第三次为16m/s,第四次

侧节点数为122360个,散热器的节点数为465803个。具体网格划分参见图3

。

为18m/s第五次为20m/s,出口温度为305K。

冷却水的进口温度为353K,流动速度为2m/s,出口温度为343K。

其余的壁面均不用设定,默认为自由壁面,自由导热。

3　计算和分析结果

图,。

015mm和1mm的分,、速度和摩擦系数,所以下面的图都只作出了15mm

的散热器情况。图4为壁厚为015mm的散热器X方向的温度分布云图,展示了温度随X方向变化的趋势;图5为壁厚为015mm的散热器X方向的速度分布云图,展示了速度随X方向变化的趋势。

图3　散热器的网格图

213　,忽略翅片和铝管外壁面取得接触热阻,即翅片根部温度和铝管外

图4　壁厚为015mm的散热器在空气流速为12m/s的环境下X方向的温度分布

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图5　壁厚为015mm的散热器在空气流速为sX　　对两种壁厚的散热器,在水侧进口速度为s,空气侧进口速度分别为12m/s、ss、

s,其结果比较如

1。

表1　2m/s,12、14、16、18和20m/s的计算结果比较

空气侧进口速度(m/s)

12

壁厚(mm)

01510151015101510151

表面换热系数(W/m2K)

691311493621074937710839569124873831633317612394890144866831646899618592689196536

换热面积(m2)

01020067920102462060102006792010246206

010200679201024620601020067920102462060102006792010246206

表面摩擦系数

11582872116715542107052221193751215301652170372231082938313849763165665131918237

紊流强度(%)

12510094102140041411870811013758156158441181738417212574126173841871316413417384

空气侧最大流速

(m/s)

15131218181515162017122119181124132015

14

16

18

20

1)以12m/s的空气侧流速的情况为例,由温度场等值线图和速度场等值线图可以看出,两种厚度的温度分布和速度分布大致相同,翅片温度从根部开始逐渐向顶部降低,在肋和基板接合的位置温度比较高,因为受到了两个面的加热;至于速度是

在空气流道的中间最大,并大于入口速度,最高可以达到接近13～15m/s,在肋和基板接合之间区域的速度却要小得多,大部分为2～6m/s左右的速度。由于同时受到两个面的加热而且流速低,导致肋和基板接合的位置的温度和速度的梯度是最大

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的,其换热环境是整个散热器各个部位中最差的,

我们要强化传热效果,提高换热系数就必须在这个部位进行进一步的研究。图6、图7为肋和基板接合的位置的速度和温度等值线图

。

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较大的空间,

在这些空间里面空气的紊流强度就会大大地提高,降低了阻力,从而使整个翅片表面的空气流动更自由,提高了换热系数,由翅片表面气流速度矢量图也可得出,壁厚为015mm的散热器的最大速度为1513m/s,大于壁厚为1mm的1218m/s,而且高速度区域也明显比较大。

4　结论

(1)从图8可以得出,随着入口风速的增大,

表面换热系数、表面摩擦系数、紊流强度和空气侧最大流速都会随之增大,而且其增长趋势非常接近线性增长

。

图6　

肋和板基接合处的温度等值线图

图8　壁厚为015mm散热器各数值随速度变化趋势

(2)采用文献[2]的综合性能参数μ=

图7　肋和板基接合处的速度等值线图

(Nu1/Nu2)/(f1/f2)0129来比较两种壁厚的综合性

2)由空气侧为12m/s的X方向温度分布和速

度分布图可以看出壁厚为015mm和1mm散热器的图形极为相似,再进行具体的数据处理后我们得到以下一些数据:在相同的入口风速(以12m/s为例)情况下,壁厚为1mm的散热器换热表面积为010246206m,平均表面换热系数为62107493W/m

2

2

能,比较的结果是:015mm壁厚的散热器在各种速度的情况下综合性能都要优于1mm壁厚的散热器,但随着速度的增大,这种优势会慢慢地减小。

5　参考文献

[1][2]

燕来容,汽车散热器材料的技术发展方向[J],北京:非铁金属的循环和利用,2005,11:33

顾维藻,马重芳,强化传热[M],北京:科学出版社,1990

-K,表面摩擦系数为11671554;壁厚为015mm的

散热器的换热表面积为0102006792m2,平均表面

换热系数为691311493W/m2-K(增大11166%),表面摩擦系数为11582872(减少5131%)。其原因主要是壁厚比较小的散热器中每个空气流道都有比

(1)莫春兰,车用发动机管带式散热器性能的研究,广西

大学硕士学位论文,2001

本文来源：https://www.bwwdw.com/article/wz61.html