車用翼型熱管散熱器參數(shù)化分析與模型研究

熱設(shè)計 2021-10-30

0 引言

隨著工程車輛的廣泛應(yīng)用,車輛的工作負(fù)荷也越來越大,對散熱系統(tǒng)進(jìn)行分析研究,以保證車輛有良好的散熱,對于車輛安全可靠運(yùn)行有著重要作用?

國內(nèi)學(xué)者秦四成等[1]對工程車輛機(jī)罩進(jìn)行了改進(jìn),從而提高了散熱器模塊的性能;黃曉明等[2]通過不斷改變翅片參數(shù),對自然對流情況下的散熱器進(jìn)行仿真分析,提出了翅片優(yōu)化原則;趙駱偉[3]利用整車的散熱數(shù)據(jù)對散熱器組進(jìn)行了改進(jìn)研究;劉佳鑫等[4]對散熱器進(jìn)行了多方面的研究;董軍啟等[5]對板翅開窗翅片?平直翅片和百葉窗翅片的散熱性能和阻力性能進(jìn)行了分析;肖寶蘭等[6]分析了散熱器各參數(shù)對其散熱和流動性能影響的大小;劉曉[7]通過仿真證明相同尺寸下的管帶式散熱器性能高于管片式散熱器?國外學(xué)者在提高散熱器性能方面做得研究相對廣泛,AhmedSA等[8]利用TiO2水納米流體增強(qiáng)散熱器的散熱性能;VaelikangasT等[9]通過添加渦發(fā)生器達(dá)到增強(qiáng)散熱器整體性能的目的?

本文針對國內(nèi)某型號工程車輛,利用CFD(ComputationalFluidDynamics)對其不同熱管和翅片布置下的散熱器單元進(jìn)行仿真分析,并對仿真與實驗數(shù)據(jù)進(jìn)行對比分析,從而為翼型散熱器進(jìn)一步研究提供一定的理論支持?

1 散熱器仿真模型

1.1散熱器單元體模型

在已有研究的基礎(chǔ)上,根據(jù)廠商提供的結(jié)構(gòu)參數(shù),利用UGNX8.0建立某工程車輛的管片式散熱器模型?

散熱器主要由進(jìn)水室?出水室和芯體這三部分組成,芯體為管式散熱器的主要結(jié)構(gòu)?管片式散熱器芯體模型如圖1所示,芯體由翅片和熱管組成,芯體的具體結(jié)構(gòu)參數(shù)如表1所示?

1.2CFD網(wǎng)格劃分以及邊界設(shè)置

利用ANSYS進(jìn)行網(wǎng)格劃分,此處采用混合網(wǎng)格對模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分;同時,在邊界層起始位置將結(jié)構(gòu)性網(wǎng)格按比例縮放,直至覆蓋整個翅片,翅片網(wǎng)格劃分如圖2所示,網(wǎng)格劃分?jǐn)?shù)量約為200萬?

為了便于研究,將熱管側(cè)邊界設(shè)置為恒溫,為了得到穩(wěn)定的氣流,將單元體前后分別延長,翅片單元體邊界設(shè)置如圖3所示?

1.3試驗驗證

在Fluent中進(jìn)行流體動力學(xué)仿真分析,為了驗證模型的準(zhǔn)確性,在出?入口截面處布置溫度以及風(fēng)速傳感器,將所得數(shù)據(jù)換算成換熱系數(shù)與壓力損失?圖4?圖5分別為壓力損失與換熱系數(shù)實驗數(shù)據(jù)和仿真結(jié)果的對比,從圖中可以看出二者擬合較好,因此可知該模型是準(zhǔn)確的?

2 翼型熱管散熱器參數(shù)對性能的影響

2.1翅片結(jié)構(gòu)參數(shù)對散熱器換熱特性影響分析

2.1.1叉排與順排對散熱器換熱特性的影響分析

叉排是指前排兩熱管間隔的中央為后排熱管的位置(如圖1所示),前后兩排熱管數(shù)差1;順排是指兩排熱管位置前后對齊,前后兩排熱管數(shù)相等?對叉排與順排的散熱器芯體模型進(jìn)行仿真分析,結(jié)果如圖6所示?從圖6可以看出,當(dāng)氣體流速達(dá)到12m/s時,叉排散熱器的換熱系數(shù)高出順排散熱器的換熱系數(shù)22.4%?究其原因主要是因為叉排散熱時,熱管在兩側(cè)交替持續(xù)散熱,換熱效率高?

2.1.2管排數(shù)對散熱器換熱特性影響分析

管排數(shù)為芯體厚方向上管的數(shù)量,本文分析時選定管排數(shù)分別為3?4?5,仿真結(jié)果如圖7所示?從圖7可以看出,換熱系數(shù)隨著散熱器管排數(shù)增加而增大?究其原因是管排數(shù)的增多實際上是增加了換熱通道,因此管排數(shù)越多散熱器的換熱性能越好?

2.1.3管長徑Ph對散熱器換熱特性影響分析

管長徑Ph分別選定為9mm?14mm?19mm,仿真結(jié)果如圖8所示?從圖8可以看出,隨著流速的增加,管長徑越大散熱器的換熱效果越好?

2.2翅片結(jié)構(gòu)參數(shù)對散熱器阻力特性影響分析

2.2.1叉排與順排對散熱器阻力特性影響分析

叉排與順排對散熱器阻力特性影響仿真分析結(jié)果如圖9所示?從圖9可以看出,當(dāng)氣體流速達(dá)到12m/s時叉排散熱器壓力損失比順排散熱器的高出約13.24%?綜合換熱特性分析,叉排布置更能夠提升散熱器的換熱效果?

2.2.2管排數(shù)對散熱器阻力特性影響分析

管排數(shù)對散熱器阻力特性影響仿真分析結(jié)果如圖10所示?從圖10可以看出,當(dāng)氣體流速達(dá)到12m/s時,5排管散熱器與3排管散熱器相比壓力損失大48.04%?綜合換熱特性分析,管排數(shù)的增加雖然可以提升散熱器的換熱特性,但是壓力損失較大,制造加工成本提高,實際應(yīng)用中應(yīng)酌情考慮?

2.2.3管長徑對散熱器阻力特性影響分析

管長徑對散熱器阻力特性影響仿真分析結(jié)果如圖11所示?從圖11可以看出,在高流速狀態(tài)下,19mm的管長徑壓力損失較大,在流速12m/s時,19mm的管長徑的散熱器比9mm管長徑的散熱器壓力損失大約48.92%?分析其主要原因是熱管與空氣接觸面積增加,導(dǎo)致壓力損失呈非線性增長?