基于FLUENT的硅油減振器熱片散熱性能分析

伍長斌，肖祖玉，甘新剛，郭一鳴

（1.湖北廣奧減振器制造有限公司，湖北 十堰 442004；2.湖北汽車工業(yè)學(xué)院 汽車工程系，湖北 十堰 442002）

基于FLUENT的硅油減振器熱片散熱性能分析

伍長斌1，肖祖玉1，甘新剛1，郭一鳴2

（1.湖北廣奧減振器制造有限公司，湖北 十堰 442004；2.湖北汽車工業(yè)學(xué)院 汽車工程系，湖北 十堰 442002）

散熱片的散熱性能好壞嚴(yán)重影響硅油減振器的使用壽命。利用計(jì)算流體力學(xué)軟件FLUENT，建立了硅油減振器散熱片的三維模型，模型中將熱場與流場進(jìn)行了耦合；通過對散熱片表面的溫度分布特性、空氣流動特性和散熱率進(jìn)行數(shù)值模擬，研究分析了散熱片不同結(jié)構(gòu)型式對其散熱性能的影響。本文的分析方法可用于指導(dǎo)硅油減振器散熱片的設(shè)計(jì)和選型。

硅油減振器；散熱片；FLUENT；熱分析

硅油減振器是用于控制發(fā)動機(jī)曲軸扭振的重要部件。在工作過程中，硅油吸收曲軸的扭振能量，轉(zhuǎn)化為熱能，引起硅油的溫度升高。如果不在減振器外殼上安裝散熱片，硅油的溫度可超過100℃。長時間在如此高溫下工作，將加劇硅油的老化，大大縮短減振器的使用壽命［1］。

為了合理控制硅油減振器的工作溫度，需要在減振器外殼上安裝散熱片。散熱片通常焊接在減振器的殼體上，與減振器一起隨著曲軸旋轉(zhuǎn)。散熱片通過2種方式散熱，即對流和輻射。對流和輻射均受散熱片葉片結(jié)構(gòu)型式的影響。

本文利用FLUENT軟件，分析硅油減振器散熱片的散熱性能，并對4種不同結(jié)構(gòu)型式散熱片的散熱性能進(jìn)行對比，從而確定最佳散熱效果的散熱片。

1 散熱片的結(jié)構(gòu)型式

散熱片的結(jié)構(gòu)型式有很多種，其散熱性能也存在差異。本文分析4種不同結(jié)構(gòu)型式的硅油減振器散熱片，如圖1所示。

X1散熱片的材料是鋼，密度是8030 kg·m-3，比熱容c為502.48 J·（kg·K）-1，導(dǎo)熱系數(shù)為16.27 W·（m·K）-1。散熱片內(nèi)徑為176 mm，外徑為234mm，有60個沿圓周均勻分布的梯形散熱筋。散熱筋下底寬6.5 mm，上底寬4.5 mm，長23 mm，高2.5mm，壁厚1mm，與底板之間為鏤空結(jié)構(gòu)。

散熱片X2的散熱筋結(jié)構(gòu)型式與X1的散熱筋類似，但是排列型式不一樣。散熱片X3與X1的散熱筋的區(qū)別在于開口方式不同，X1是內(nèi)外端面開口，而X3是左右兩側(cè)面開口。散熱片X4的散熱筋是與散熱片基底成一定夾角上翻的平板。4種散熱片的對比見表1。

表1 4種散熱片結(jié)構(gòu)的對比

2 物理模型的建立及分析

以X1散熱片為例，說明硅油減振器散熱片散熱性能分析的過程。

2.1 用Gambit創(chuàng)建幾何模型

Gambit是一具有超強(qiáng)組合建模能力的專用的CFD前處理器，能方便靈活的進(jìn)行幾何修正，自動選擇最合適的網(wǎng)格劃分算法［2］。通過觀察X1散熱片的三維模型，可知其是中心對稱結(jié)構(gòu)，因此可以只分析其1/10模型，從而減小工作量和計(jì)算量。將切割好的1/10三維模型導(dǎo)入Gambit，采用四面體網(wǎng)格。劃分好的網(wǎng)格見圖2。

由于要考慮散熱片旋轉(zhuǎn)過程中的空氣流動，在散熱片外面還需要劃分一個流場區(qū)域的網(wǎng)格。流場區(qū)域的網(wǎng)格見圖3。由圖3可見，流場區(qū)域分為2個部分，散熱片周圍的部分為旋轉(zhuǎn)流體區(qū)，其余部分為管道區(qū)。旋轉(zhuǎn)流體區(qū)半徑為120 mm，長度為120 mm。整個管道半徑為200 mm，長度為1000 mm。散熱片在旋轉(zhuǎn)流體區(qū)中心，旋轉(zhuǎn)流體區(qū)處于管道中心。

2.2 設(shè)置邊界條件

由于將散熱片切割成了1/10模型，切割面設(shè)為旋轉(zhuǎn)周期邊界。散熱片的底面設(shè)置為恒溫?zé)嵩?，溫度?5℃。管道壁面為絕熱表面。散熱器外表面為耦合面，從而耦合熱場和流場。散熱片在工作過程中與發(fā)動機(jī)曲軸同速旋轉(zhuǎn)，因此設(shè)置其轉(zhuǎn)速為2000r·min-1。環(huán)境溫度為27℃。管道的左側(cè)端面設(shè)置為入口，入口類型為質(zhì)量流。管道的右側(cè)端面為壓力出口。

散熱片旋轉(zhuǎn)引起空氣在散熱片表面流動。這種流動是湍流，因此湍流求解模型選用標(biāo)準(zhǔn)湍流模型，它需要求解湍動能方程和耗散率方程［3］，即

式中，對于不可壓縮流體，

湍動能與耗散率的湍流普朗特?cái)?shù)分別為

2.3 計(jì)算及結(jié)果分析

設(shè)置好上述條件后開始計(jì)算，迭代487步后計(jì)算收斂，其殘差曲線見圖4。由圖4可見，殘差在前100步內(nèi)下降很快，到100步之后殘差已經(jīng)基本保持不變，說明收斂性比較好。

散熱片的溫度分布云圖見圖5。由圖5可見，散熱片的基底與設(shè)置的邊界溫度相同，為85℃。散熱片散熱筋上表面的溫度最低，為75℃左右。熱傳導(dǎo)與物體的溫度梯度有關(guān)，溫度梯度越大，熱傳導(dǎo)效果越好［4］。因此散熱片的表面溫度越高，與周圍環(huán)境之間的溫度梯度就越大，散熱效果就越好。

散熱片表面的空氣流動速度分布云圖見圖6。由圖6可見，散熱片內(nèi)圈附近的空氣流速最小，為18.4 m·s-1。越靠近外圈，空氣流動越快。最外圈空氣流速達(dá)到最大，為24.5 m·s-1?？諝饬鲃釉娇?，散熱片表面的熱流密度越大，散熱效果越好［5］。

溫度場和速度場只是定性的反映了散熱片在工作過程中的工作狀態(tài)。為定量說明散熱片的散熱性能，需要計(jì)算其散熱功率。在FLUENT的Flux菜單中提供了計(jì)算散熱功率的選項(xiàng)。選擇散熱片的整個外表面，計(jì)算可得其散熱功率為198.88 W，即該散熱片在當(dāng)前的工作條件下在單位時間內(nèi)可以散發(fā)198.88 W的熱量。

2.4 不同結(jié)構(gòu)散熱片的散熱性能對比

采用與X1散熱片相同的設(shè)置，計(jì)算其散熱功率，從而對比其散熱性能的好壞。4種散熱片的散熱功率見表2。由表2可知，散熱片X2的散熱性能最好，X1和X4的散熱性能居中，而X3的散熱性能最差。散熱片X3散熱性能最差的原因是其散熱筋與基底之間的連接部分太小，導(dǎo)致熱量從基底傳遞到散熱筋的能力較小，從而影響了其整體的散熱性能。散熱片X2的散熱性能優(yōu)于X1和X4的原因是由于其散熱筋的表面積略大于X1和X4，從而散熱性能得到了一定提升。

表2 散熱功率的對比

3 結(jié)論

本文利用FLUENT軟件，對硅油減振器散熱片在工作過程中的溫度場、空氣流動的速度場進(jìn)行了計(jì)算模擬，并分析計(jì)算了散熱片的散熱功率。文中計(jì)算分析了X1、X2、X3、X4 4種散熱片的散熱性能，通過對比它們散熱功率的大小，得知X2散熱片的散熱性能最佳。計(jì)算結(jié)果表明，合理設(shè)計(jì)散熱片的結(jié)構(gòu)型式對于提高散熱片的散熱性能有重要影響。本文論述的分析方法，對于硅油減振器散熱片的設(shè)計(jì)開發(fā)和選型，都具有一定的指導(dǎo)意義。

［1］重慶大學(xué)機(jī)械系振動科研組.發(fā)動機(jī)硅油減振器的基本理論［J］.汽車技術(shù),19756（6）7-15.

［2］王瑞金.FLUENT技術(shù)基礎(chǔ)與應(yīng)用實(shí)例 ［M］.北京:清華大學(xué)出版社，2007.

［3］魏顯達(dá),王為民,徐建普.基于FLUENT的三通管數(shù)值模擬及分析 ［J］.當(dāng)代化工,2011,40（2）:165-167.

［4］楊強(qiáng)生，蒲保榮.高等傳熱學(xué) ［M］.上海:上海交通大學(xué)出版社，2001.

［5］徐中明，史方圓，等.車輛輪邊減速器的散熱仿真分析［J］.農(nóng)業(yè)工程學(xué)報，2011，27（4）:158-163.

Thermal Performance Analysis on Cooling Fin of Viscous Vibration Damper Based on FLUENT

Wu Changbin1，Xiao Zuyu1，Gan Xingang1，Guo Yiming2
（1.Hubei GuangAo Damper Manufacturing Co.Ltd.,Shiyan 442004,China; 2.Dept.of Automotive Engineering，Hubei Automotive Industries Institute,Shiyan 442002，China）

The thermal performance of cooling fin will seriously affect the life of viscous vibration damper.A three-dimensional model of cooling fin was established by using a computational fluid dynamics software FLUENT.In the model,the thermal field and the flow field were coupled.Through numerical simulation of the temperature distribution,air flow characteristics and heat dissipation rate of the cooling fin’s surfaces,the influence of the cooling fin’s structure on its thermal performance was discussed.The similar analytical approach can be used to guide the design of the cooling fin of viscous vibration damper.

viscous vibration damper;cooling fin;FLUENT;thermal performance analysis

U464.133+.3

A

1008-5483（2011）03-0023-03

2011-07-23

伍長斌（1966-），男，湖北竹溪人，從事發(fā)動機(jī)減振器方面的研發(fā)和制造。