散熱器進(jìn)出口布置對流阻影響的仿真分析

段德昊 熊飛 朱林培 鄧達(dá)泰

摘 要：文章采用STAR-CCM+通用流體仿真程序，基于Realizable k-e湍流模型，完成了某純電動車雙側(cè)散熱器在不同流量下流阻特性仿真分析，并通過相應(yīng)的水阻試驗結(jié)果驗證了仿真方法的可靠性。然后結(jié)合實際工況，以冷卻液為流動介質(zhì)，分別完成了散熱器雙側(cè)與單側(cè)設(shè)計在8L/min和10L/min兩種流量下的流阻特性分析。結(jié)果表明：在相同工況下，雙側(cè)進(jìn)出口設(shè)計流阻特性更優(yōu)，略小10%左右;此外，雙側(cè)水室內(nèi)壁面最大壓應(yīng)力也略小45%;且在一定范圍內(nèi)流量越大，兩者差值越大。

關(guān)鍵詞：汽車散熱器;STAR-CCM+;流阻;仿真

中圖分類號：U464.138+.2 ?文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A ?文章編號：1671-7988（2019）12-113-03

Abstract： Numerical analysis on hydraulic resistance of a bilateral radiator in a battery electric vehicle was conducted with the general fluid simulation code STAR-CCM+ based on the Realizable k-e turbulence model. A good agreement between simulation results and experimental data with water media shows the effectiveness of the simulation method for hydraulic resistance of radiator. And then considering the real working condition and coolant， simulation on hydraulic resistance of bilateral radiator and unilateral radiator was carried out with coolant in flow rate of 8L/min and 10L/min respectively. Final results show that bilateral radiator has better performance with about 10% less hydraulic resistance and 45% less maximum wall pressure than unilateral radiator. Moreover， the difference becomes bigger along with the increasing flow rate within certain range.

Keywords： Radiator; STAR-CCM+; Hydraulic resistance; Numerical analysis

CLC NO.： U464.138+.2 ?Document Code： A ?Article ID： 1671-7988（2019）12-113-03

前言

散熱器是純電動汽車電驅(qū)冷卻系統(tǒng)不可缺少的重要部件，它通過循環(huán)冷卻液與外界空氣對流進(jìn)行熱交換，保證系統(tǒng)在任何工況都能維持在合適溫度工作。散熱器流阻越大，消耗電機(jī)有效功率越大，故降低散熱器工作壓力，使電驅(qū)系統(tǒng)發(fā)揮最大效率，對散熱器設(shè)計至關(guān)重要[1]。

1 流體仿真的控制方程

計算流體動力學(xué)（CFD）仿真分析是基于流體力學(xué)連續(xù)性方程、動量方程及能量方程三大守恒控制方程，并選擇合適的湍流近似模型，進(jìn)行數(shù)值離散迭代求解，獲得相關(guān)復(fù)雜流動近似結(jié)果的分析方法，目前是解決復(fù)雜工程流動問題的高效手段。本散熱器冷卻液流動可近似為低速不可壓定常流動，由以下控制方程組進(jìn)行描述[2]。

1.1 連續(xù)性方程

2.2 仿真模型

散熱器網(wǎng)格采用混合網(wǎng)格劃分，兩側(cè)水室為多面體網(wǎng)格，中間扁管為三棱柱拉伸網(wǎng)格。在邊界層上，采用2層，總厚度0.5mm，增長率為1.3。單側(cè)和雙側(cè)模型面網(wǎng)格采用0.5mm的三角形單元，體網(wǎng)格分別約650萬和658萬。經(jīng)網(wǎng)格無關(guān)性驗證后，該網(wǎng)格量可以滿足計算精度。

2.3 邊界與求解設(shè)置

在散熱器進(jìn)口端面設(shè)置為質(zhì)量流量入口，出口端面為壓力出口，大小為0Pa，其它管壁為wall。本文以60℃冷卻液（體積比為50%的水和乙醇混合液）分析，密度1040kg/m3，動力粘度1.65mPa·s，對比分析了8 L/min和10L/min時散熱器流阻和內(nèi)壁面最大壓應(yīng)力。

3 散熱器仿真方法驗證

3.1 仿真方法的可靠性驗證

按照雙側(cè)進(jìn)出口散熱器單體水阻試驗結(jié)果，以60℃水為流動介質(zhì)（密度983kg/m3，動力粘度0.5mPa·s）完成相應(yīng)仿真分析，如表1所示，對比結(jié)果表明，同流量下仿真與試驗流阻相對誤差在3%以內(nèi)，驗證了方法的有效性。

4 散熱器仿真結(jié)果分析

針對某車型散熱器實際工況和流動介質(zhì)，重點分析了冷卻液8L/min和10L/min兩種流量來評估散熱器流阻特性。基于上述經(jīng)驗證的CFD分析方法，分析了實際工況下雙側(cè)和單側(cè)的差異。僅以10L/min流量結(jié)果作對比分析。

4.1 進(jìn)出口流阻特性對比分析

4.2 散熱器水室內(nèi)壁面最大應(yīng)力分析

取散熱器最大壓應(yīng)力存在部位，即入口部位，如圖6所示。

5 結(jié)論

對于純電動車電機(jī)散熱器單體而言，在相同流量工況下：1）雙側(cè)布置比單側(cè)流阻特性更優(yōu)，略小10%左右;2）對于水室內(nèi)壁面壓應(yīng)力也略小45%左右;3）在一定范圍內(nèi)，雙側(cè)與單側(cè)散熱器的流阻差異隨冷卻液流量增大時有增大的趨勢。因此，若僅從散熱器流阻特性和對水室強度影響的角度，優(yōu)先選用雙側(cè)進(jìn)出口散熱器。

參考文獻(xiàn)

[1] 吳立平，林貴平等.管帶式汽車散熱器性能分析系統(tǒng)[J].北京汽車， 2005（1）：9-12.

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

[3] 田杰安等.基于CFD的散熱器結(jié)構(gòu)優(yōu)化[J].內(nèi)燃機(jī)與動力裝置， 2012（4）：40-42.

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