基于Fluent的汽車散熱器熱耦合仿真

張書義，劉松，曹汝恒，曹建明

（長安大學(xué)汽車學(xué)院，陜西 西安 710064）

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基于Fluent的汽車散熱器熱耦合仿真

張書義，劉松，曹汝恒，曹建明

（長安大學(xué)汽車學(xué)院，陜西 西安 710064）

汽車散熱器是發(fā)動機冷卻液與空氣進行熱交換的換熱設(shè)備， 它的好壞直接影響到發(fā)動機的動力性和經(jīng)濟性，是發(fā)動機冷卻系統(tǒng)中非常重要的一部分。隨著仿真軟件被廣泛的用到散熱器設(shè)計中，使散熱器的優(yōu)化設(shè)計更加的輕便。文章主要利用Fluent軟件，采用Simple算法和標(biāo)準(zhǔn)k-e湍流模型，模擬計算了水在散熱器內(nèi)部的流動傳熱過程，通過分析溫度場和壓力場等的變化，獲得散熱器的工作情況，為散熱器優(yōu)化設(shè)計提供參考。

散熱器；建模；Fluent；仿真

10.16638/j.cnki.1671-7988.2016.06.031

CLC NO.: U464.138+.2 Document Code: A Article ID: 1671-7988 (2016)06-88-03

前言

散熱器是內(nèi)燃機冷卻系統(tǒng)中最重要的部件之一，它對內(nèi)燃機的動力性，經(jīng)濟性以及可靠性有重大影響，所以研究如何提高散熱器的換熱性能和降低設(shè)計成本具有重要的意義。本文主要通過建模和仿真軟件對某一款汽車品牌的散熱器進行了壓力場和溫度場的模擬，以便發(fā)現(xiàn)可以改進的地方。

1、計算流體力學(xué)的基本模型控制原理

1.1三大流體基本能量方程

CFD 基本模型三大控制方程分別是連續(xù)性方程、動量守恒方程和能量守恒方程，散熱器內(nèi)部水的流動基本上是以三大方程為主的方程組控制。

（1）連續(xù)性方程：

（2）動量方程：

（3）能量守恒方程：

2、散熱器的建模與模擬計算

2.1建模

對于散熱器的UG建模，要考慮實際尺寸、形狀，忽略散熱器的外部塑料包裝對模型的影響，以致簡化其模型，使其更接近實際汽車散熱器。實際汽車散熱器經(jīng)過UG建模圖形，如圖1所示：

圖1　散熱器模型

2.2散熱器Gambit網(wǎng)格劃分

將UG模型導(dǎo)進Gambit,然后調(diào)整適當(dāng)位置，選中整個實體進行網(wǎng)格劃分，網(wǎng)格選擇不規(guī)則的，大小為0.5。對網(wǎng)格質(zhì)量進行檢查，其中劃分的網(wǎng)格有431359個，最差的的網(wǎng)格面積是0.847591，在可接受的范圍。設(shè)置汽車散熱器模型的邊界，選擇三維模型的兩外端面，一個為進水口，另一個為出水口。進水口的邊界被設(shè)置為進水速度，出水口的邊界被設(shè)置為出水流量。汽車散熱器三維模型的網(wǎng)格圖形，如圖2所示：

圖2　網(wǎng)格

2.3基于Fluent的邊界條件設(shè)置與計算

將汽車散熱器三維模型 mesh 文件導(dǎo)入 Fluent，將所有的單位改成mm，分離解算器選擇Fluent默認(rèn)的解算器，仿真模型采用標(biāo)準(zhǔn)K-E湍流模型，選擇的材料為液態(tài)水，并將水的物理參數(shù)設(shè)置好。設(shè)置邊界條件，并計算出邊界參數(shù)，步驟如下：

①fluid面、wall、出水口邊界的設(shè)置

Fluid設(shè)置，將Material name 改成water-liquid；出水口的邊界設(shè)置為默認(rèn)模式；wall的設(shè)置，設(shè)置鋁制散熱器的換熱系數(shù)為204w(m2·k) ，wall的厚度為0.002m。

②進水口邊界設(shè)置

進口水管：進口水流速度 2m/s，溫度363K。實驗測定壓力為100000Pa。

確定湍流參數(shù)的方法如下：

如果已知湍流長度尺度l，則湍動耗散率ε按下式計算：

最后設(shè)置散熱器進水口邊界的初始數(shù)據(jù)，選擇Simple算法，壓力標(biāo)準(zhǔn)離散化，動量、湍動能、湍流消耗系數(shù)二階逆風(fēng)面離散化。初始化流場，設(shè)置迭代步數(shù)1000。通過桌面運行圖形窗口查看殘差圖的收斂過程，從殘差圖可以了解迭代解是否已經(jīng)收斂到允許的誤差范圍了，如圖3所示。

圖3　殘差圖

3、散熱器的內(nèi)流場分析結(jié)果

散熱器的仿真結(jié)果是以流場的形式呈現(xiàn)的，本文研究的是散熱器的內(nèi)流場，內(nèi)流場的變化分為冷卻液管內(nèi)流溫度場、冷卻液管內(nèi)流壓力場，從這兩方面將散熱器的內(nèi)部流場變化形象的描繪出來。這種計算出來的流場變化更接近實際的工作狀態(tài)，對于研究汽車散熱器的散熱特性有很大的幫助。

3.1冷卻液管內(nèi)流溫度場，如圖4

圖4　溫度云圖

圖上顯示了散熱器冷卻液管內(nèi)部溫度的流場分布。自上而下，管內(nèi)冷卻液的溫逐步降低，

這是空氣換熱作用的結(jié)果，帶走了熱量。上下兩個水箱內(nèi)的冷卻液溫度高于冷卻液管內(nèi)的溫度，一是因為原型散熱器上下水箱是由工程塑料包裹起來的，固定在發(fā)動機前部，起固定作用，外部空氣不能直接與它強制對流換熱。故而在幾何建模計算時省略它的塑料外殼。二是散熱器的冷卻水管是散熱器的主要工作區(qū)域，冷卻空氣與冷卻水管強制對流換熱后冷卻水管內(nèi)的溫度降低。與實際散熱器溫度場、壓力場近似，其產(chǎn)生的誤差，主要是在管與水箱交接處湍流損失較大的拐角處，還有散熱器水箱外殼部分的流動損失。

3.2冷卻水管內(nèi)流壓力場，如圖5所示

圖上顯示散熱器冷卻水管內(nèi)流壓力場。從上到下，水箱內(nèi)的壓力逐漸減少，因為進水口面積較小，進水速度較大，所以進口處的壓力較大。隨著水箱內(nèi)進水量的增加，在水箱內(nèi)易形成湍流，流向冷卻水管時，造成水箱內(nèi)局部的壓力增加。進入冷卻水管后，水溫下降，流速變緩，導(dǎo)致管內(nèi)水的壓力也逐漸下降。但會產(chǎn)生一些誤差，這是因為進水不可能一下就充滿整個散熱器，會產(chǎn)生氣液混合相。

圖5　壓力云圖

[1] 莫春蘭.車用發(fā)動機管帶式散熱器性能的研究[學(xué)位論文],2001.

[2] 康顯麗.UG NX5機械設(shè)計案例教程:中文版.北京：清華大學(xué)出版社，2008.

[3] 于勇.FLUENT入門與進階教程.北京:北京理工大學(xué)出版社,2008.

[4] 王福軍.計算流體動力學(xué)分析[M].北京:清華大學(xué)出版社.

Thermal coupling simulation of automobile radiator based on Fluent

Zhang Shuyi, Liu Song, Cao Ruheng, Cao Jianming
（Chang'an University Automotive Institute, Shaanxi Xi'an 710064）

Car radiator is an exchanging heat equipment that can exchange coolant liquid with air, and it' s goodness or badness will directly affect the engine performance and fuel economy, is a very important part of engine cooling system. This paper established use Fluent software, the Simple algorithm and standard k-e turbulence model, simulation calculation of the flow of water within the radiator heat transfer process, through the analysis of the change of the temperature field and stress field, etc, for the performance of the radiator, to provide the reference for the radiator optimization design.

Radiator; Model; Fluent; Simulation

張書義，就讀于長安大學(xué)汽車學(xué)院。

U464.138+.2

A

1671-7988 （2016）06-88-03