新型礦用車管芯式散熱器阻力性能的數(shù)值模擬

劉曉麗，席明智，謝琰

（內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)能源與動(dòng)力工程學(xué)院，內(nèi)蒙古呼和浩特010051）

新型礦用車管芯式散熱器阻力性能的數(shù)值模擬

劉曉麗，席明智，謝琰

（內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)能源與動(dòng)力工程學(xué)院，內(nèi)蒙古呼和浩特010051）

利用ANSYS Flotran模塊對(duì)不同速度下的管芯式散熱器的空氣流動(dòng)速度和壓降進(jìn)行數(shù)值模擬，模擬值與試驗(yàn)值吻合，表明利用ANSYS對(duì)管芯式散熱器阻力性能進(jìn)行模擬的方法是可行的。

管芯式散熱器阻力性能數(shù)值模擬

1 前言

隨著計(jì)算機(jī)的發(fā)展，對(duì)流動(dòng)的數(shù)值計(jì)算成為可能，并成為有效的研究手段及現(xiàn)代設(shè)計(jì)工具。ANSYS中的Flotran模塊可以模擬不同類型、不同結(jié)構(gòu)的散熱器在不同環(huán)境溫度下的空氣流動(dòng)阻力，避免了試驗(yàn)繁雜、周期長(zhǎng)、費(fèi)用高、個(gè)別數(shù)據(jù)難測(cè)量等問題。

管芯式散熱器維修性能佳，是近年來礦用汽車發(fā)動(dòng)機(jī)散熱器首選的管芯型式[1]。為使其應(yīng)用更為廣泛，要對(duì)其性能進(jìn)行深入研究，而國(guó)內(nèi)外對(duì)散熱器的性能研究多集中于管片式和管帶式[2-4]，并且多為試驗(yàn)研究，而對(duì)管芯式散熱器的研究尚不多見。

本文以空氣流動(dòng)作為對(duì)象，利用Pro/Engineer軟件建模，ANSYS Flotran模塊對(duì)模型進(jìn)行分析，模擬新型管芯式散熱器空氣流動(dòng)速度變化和空氣阻力。

2 試驗(yàn)系統(tǒng)

試驗(yàn)系統(tǒng)按文獻(xiàn)[5]，由內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)能源與動(dòng)力工程學(xué)院搭建而成。試驗(yàn)臺(tái)架主要由風(fēng)機(jī)、水泵、風(fēng)筒、試件、循環(huán)水路、加熱水箱、測(cè)量?jī)x器和控制裝置組成，以模擬散熱器的真實(shí)工作環(huán)境。系統(tǒng)中風(fēng)速測(cè)量采用畢托管，并配用最小刻度為1 mm的傾斜式微壓計(jì)，進(jìn)風(fēng)溫度和出風(fēng)溫度選用銅－康銅熱電偶進(jìn)行測(cè)量。四排管散熱器的參數(shù)如表1。

表1 散熱器的結(jié)構(gòu)參數(shù)

3 基本假設(shè)與數(shù)學(xué)模型

認(rèn)為空氣流動(dòng)為定常流動(dòng)，氣體為理想氣體，不可壓縮，物性參數(shù)取為常數(shù)。不考慮散熱片的散熱，不考慮冷卻水的溫度影響，認(rèn)為空氣速度在散熱器的迎風(fēng)面上均勻分布，忽略重力的影響。

計(jì)算在不同的流速下進(jìn)行，可根據(jù)散熱器入口處空氣流速來估算雷諾數(shù)。因所確定流動(dòng)區(qū)域內(nèi)空氣流動(dòng)為外流，空氣與實(shí)體的相對(duì)運(yùn)動(dòng)對(duì)流體邊界的影響可以不計(jì)，雷諾數(shù)的計(jì)算公式如下：

或

其中，為流體密度，為流體的動(dòng)力粘度，

為流體的運(yùn)動(dòng)粘度，為流場(chǎng)的特征速度，即進(jìn)口風(fēng)速；為流場(chǎng)的特征長(zhǎng)度，取氣流方向上一段翅片的長(zhǎng)度。

實(shí)際計(jì)算時(shí)，由于雷諾數(shù)大于4 000，故為湍流流動(dòng)，計(jì)算采用標(biāo)準(zhǔn)湍流模型。根據(jù)文獻(xiàn)[6]，其質(zhì)量守恒方程和動(dòng)量守恒方程分別如下：

補(bǔ)充湍流動(dòng)能方程和湍流動(dòng)能耗散率方程如下：

其中，為湍動(dòng)粘度，為流體密度，是由于平均速度梯度引起的湍流動(dòng)能的產(chǎn)生項(xiàng)，是由于浮力引起的湍流動(dòng)能的產(chǎn)生項(xiàng)，代表可壓湍流中脈動(dòng)擴(kuò)張的貢獻(xiàn)，和為經(jīng)驗(yàn)常數(shù)，和分別是與湍流動(dòng)能k和耗散率對(duì)應(yīng)的Prandtl數(shù)，和是用戶定義的源項(xiàng)。

4 管芯式散熱器阻力性能分析

4.1 散熱器幾何模型的建立

管芯式散熱器每個(gè)冷卻水管及其上面的散熱帶如同一個(gè)散熱單元，散熱器芯子型式如圖1所示。根據(jù)散熱器的幾何結(jié)構(gòu)，空氣沿軸負(fù)向流動(dòng)，冷卻水沿y軸負(fù)向流動(dòng)，水管和翅片沿軸錯(cuò)排布置。管芯式散熱器局部幾何模型示意圖如圖2所示。

圖1 管芯式芯子

圖2 管芯式散熱器局部幾何模型示意圖

4.2 計(jì)算區(qū)域的確定及邊界條件的設(shè)置

為節(jié)省計(jì)算機(jī)資源，根據(jù)散熱器的實(shí)體結(jié)構(gòu)，確定計(jì)算區(qū)域如下：沿向（空氣流動(dòng)方向）取四排管散熱器芯體的總長(zhǎng)；沿向（水流動(dòng)的方向）取三段翅片的長(zhǎng)度；沿向取能夠涵蓋散熱器水管錯(cuò)列位置變化為一個(gè)周期的區(qū)域。將散熱器實(shí)體部分減掉后便得到計(jì)算散熱器空氣阻力的空氣流動(dòng)區(qū)域，即計(jì)算區(qū)域。以此為周期即可得到流過管排的空氣的壓降。

散熱器計(jì)算區(qū)域及邊界設(shè)置[7]，如圖3所示。固體壁面采用無滑移邊界，入口邊界為速度，出口邊界壓力值設(shè)置為0。

圖3 計(jì)算區(qū)域及邊界設(shè)置示意圖

4.3 計(jì)算模型的建立及有限元網(wǎng)格的劃分

采用三維建模軟件Pro/E建立幾何計(jì)算模型，并直接生成ANSYS模型，選定Flotran142單元進(jìn)行分析。對(duì)幾何模型（圖4）采用MeshTool進(jìn)行自由網(wǎng)格劃分，單元尺寸設(shè)置為2 mm，并進(jìn)行智能化控制。網(wǎng)格劃分的后節(jié)點(diǎn)數(shù)為111 174，單元數(shù)為503 332，網(wǎng)格劃分后的模型如圖5所示。

圖4 Pro/E幾何模型

圖5 ANSYS中劃分網(wǎng)格結(jié)果圖

4.4 加載、Flotran參數(shù)設(shè)置及求解

入口處施加速度和溫度邊界，出口處為壓力邊界。試驗(yàn)中最大風(fēng)速為25 m/s，在最大風(fēng)量范圍內(nèi)選取5個(gè)工況點(diǎn)，風(fēng)速分別為7.5 m/s、12.6 m/s、17.9 m/s、21.9 m/s和23.3 m/s，出口相對(duì)壓力設(shè)置為0。翅片結(jié)構(gòu)共316個(gè)面，空氣接觸翅片和管子壁面施加無滑移邊界，水管排與排之間的空氣流通面采用對(duì)稱邊界，其余兩面施加周期性邊界。

在Fluid Properties對(duì)話框中選擇【air-SI】選項(xiàng)。設(shè)置參考?jí)毫?01.35 kPa，空氣的物性參數(shù)取為定性溫度下的物性參數(shù)，其定性溫度取進(jìn)出口的平均溫度。選擇【Run Flotran】，進(jìn)行求解。通過模擬求出管芯式散熱器在不同速度下的風(fēng)阻值，及速度變化情況（圖6），空氣的流動(dòng)跡線如圖7，圖8為湍流動(dòng)能分布，動(dòng)能最大值出現(xiàn)在翅片周圍區(qū)。下列圖示是速度為12.6 m/s的云圖顯示。

圖6 速度變化

圖7 空氣流動(dòng)跡線圖

圖8 湍流動(dòng)能分布

4.5 試驗(yàn)結(jié)果與模擬結(jié)果對(duì)比

風(fēng)阻值的模擬結(jié)果與試驗(yàn)數(shù)據(jù)擬合曲線對(duì)比如圖9所示，二者的最大相對(duì)誤差為6.88%，吻合度較好。

圖9 風(fēng)阻特性試驗(yàn)值與計(jì)算值比較

5 結(jié)論

（1）能量損失主要在翅片周圍區(qū)域，隨著入口速度變大，即風(fēng)量增加，風(fēng)阻隨之增加。

（2）根據(jù)散熱器的幾何結(jié)構(gòu)，以散熱器中的空氣流體作為分析對(duì)象來實(shí)現(xiàn)對(duì)散熱器空氣阻力性能的分析，利用周期性邊界對(duì)計(jì)算區(qū)域進(jìn)行簡(jiǎn)化，只取一個(gè)周期的空氣區(qū)域?yàn)橛?jì)算區(qū)域，簡(jiǎn)化了計(jì)算過程，節(jié)省計(jì)算資源。

（3）數(shù)值模擬結(jié)果與試驗(yàn)數(shù)據(jù)的最大相對(duì)誤差小于7%，吻合較好，表明所建模型及算法對(duì)管芯式散熱器的風(fēng)阻分析具有實(shí)用價(jià)值。

1楊家騏.汽車散熱器（第一版）[M].人民交通出版社，1982.

2朱恂廖強(qiáng).管帶式汽車散熱器流動(dòng)阻力與傳熱性能分析[J].重慶大學(xué)學(xué)報(bào)，2002(8).

3李岳林，張志沛，郭曉汾.管片式散熱器在汽車發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻系匹配設(shè)計(jì)中的數(shù)值模擬[J].汽車工程，2001(1).

4 Aoki H.Shinagawa T.Suga K.An Experimental study of the Local Heat Transfer Characteristics in Automotive Louvered Fin[J].Experimental Thermal and Fluid Science 1989,2(3):293-300.

5中華人民共和國(guó)第一機(jī)械工業(yè)部.汽車、拖拉機(jī)風(fēng)筒試驗(yàn)方法[S].JB2293-1978，1978.

6王福軍.計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)分析[M].北京：清華大學(xué)出版社，2004.

7索文超，畢小平，李賀佳.車用散熱器空氣流動(dòng)阻力預(yù)測(cè)研究[J].汽車工程，2008，30(9).

Numerical Simulation of Resistance Performance for New-Style Tube-Core Radiator Used in Mine Truck

Liu Xiaoli, Xi Mingzhi, Xie Yan
（College of Energy and Power Engineering, Inner Mongolia University of Technology, Hohhot 010051, China)

By using ANSYS Flotran module，numerical simulation at various velocity and pressure drop is conducted. The simulation result is in good agreement with the experimental data, which shows ANSYS can be used in resistance performance simulation of tube-core radiator.

tube-core radiator, resistance performance, numerical simulation

10.3969/j.issn.1671-0614.2010.02.006

來稿日期：2009-12-01

劉曉麗（1983－），女，助教，在讀碩士，主要研究方向?yàn)閯?dòng)力機(jī)械性能分析和研究。