散熱器翅片參數(shù)對其性能的影響研究

金開 鄭磊 朱蕾 趙增耀

摘 要：為研究散熱器翅片參數(shù)對其性能的影響，運用AMESim軟件搭建某商用車發(fā)動機冷卻系統(tǒng)，研究散熱器翅片參數(shù)對其性能的影響。研究表明：散熱器的外翅片間距對其散熱能力有較大影響，隨著翅片間距，散熱器換熱能力增大;散熱器內(nèi)翅片間距的變化并不會對散熱器的散熱性能造成明顯影響;散熱器內(nèi)翅片的高度不宜過小。

關(guān)鍵詞：冷卻系統(tǒng);散熱器;翅片;AMESim

中圖分類號：U464 ?文獻標識碼：B ?文章編號：1671-7988（2020）05-126-03

Abstract： In order to study the influence of radiator fin parameters on its performance， AMESim software was used to build a cooling system of a commercial vehicle engine， and the influence of radiator fin parameters on its performance was studied. The results show that the space between the outer fins of the radiator has a great influence on its heat dissipation ability. The change of fin spacing in radiator does not affect the heat dissipation performance of radiator obviously. The height of fin inside radiator should not be too small.

Keywords： Cooling system; Radiator; Fin; AMESim

引言

冷卻系統(tǒng)是汽車發(fā)動機的重要組成部分，其中散熱器是核心部件。發(fā)動機冷卻系統(tǒng)散熱能力不足導致的故障嚴重影響產(chǎn)品的質(zhì)量。

目前國內(nèi)汽車廠在前期設(shè)計中，一般將冷卻模塊作為一個整體交由供應商進行設(shè)計，后期通過整車熱平衡試驗驗證冷卻系統(tǒng)性能，該方法周期長且耗費大量人力、物力，且極易造成冷卻系統(tǒng)匹配不合理造成整車設(shè)計失敗。張斌等[1]通過仿真分析得到散熱器在指定工況下的溫度變化特性;張秉坤等[2]利用AMESim軟件建立了冷卻系統(tǒng)模型，研究了散熱器芯子尺寸對散熱器性能的影響;李文躍等[3]通過AMESim軟件建立冷卻系統(tǒng)的一維仿真模型，對備選散熱器進行了校核計算;徐立平等[4]運用AMESim軟件對發(fā)動機冷卻系統(tǒng)進行了匹配計算。綜合來看，對冷卻系統(tǒng)的研究主要集中在原件匹配以及系統(tǒng)性能預測兩個方面，針對原件的研究較少。

本文以某型號國產(chǎn)商用車為研究對象，基于AMESim平臺搭建其發(fā)動機冷卻系統(tǒng)仿真模型，探討散熱器內(nèi)、外翅片的間距和高度等因素對其散熱性的影響，為散熱器的選型設(shè)計提供參考。

1 結(jié)構(gòu)模型

該型號商用車散熱器類型為板翅式，具有結(jié)構(gòu)緊湊，換熱強度大等特點。圖1為單層翅片的結(jié)構(gòu)示意圖。

2 冷卻系統(tǒng)模型搭建

2.1 發(fā)動機模型

發(fā)動機冷卻系統(tǒng)采用水冷閉式強制循環(huán)冷卻系統(tǒng)，通過水泵加壓使冷卻液在發(fā)動機機體和汽缸蓋水套等組成的封閉循環(huán)通路中流動。

冷卻系統(tǒng)散走的熱量受許多復雜因素的影響，很難精確計算，初步估算可采用以下公式：

式中：φ為發(fā)動機冷卻損失系數(shù)，柴油機一般取0.18～ 0.25;ge為發(fā)動機燃油消耗率;P為發(fā)動機功率;hn為燃料低熱值。

2.2 水泵模型

對于水泵消耗的功率，可由下式計算：

2.3 散熱器模型

散熱器熱側(cè)流動阻力通過下式計算：

式中：K為流動阻力損失系數(shù);ρc為冷卻液密度，Vc為冷卻液流速。

式中：km為散熱器管道的導熱系數(shù);Ga和Gf為空氣和冷卻液的質(zhì)量流量;aair和bair為空氣側(cè)對流修正系數(shù);af和bf為冷卻液側(cè)的對流修正系數(shù)。

2.4 風扇模型

2.5 冷卻系統(tǒng)模型搭建

應用多學科高級仿真平臺AMESim建立冷卻系統(tǒng)仿真模型，分別調(diào)用熱液壓庫、冷卻系統(tǒng)庫、熱交換器庫以及信號庫的部分元件，建立包含水散熱器、水泵、風扇等在內(nèi)的仿真模型，系統(tǒng)中部件的連接與實際冷卻系統(tǒng)連接方式一致，如圖2所示。其中，發(fā)動機體可以看作一個熱源，直接給定散熱量，散熱器性能參數(shù)通過臺架實驗獲取，水泵和風扇的特性曲線由供應商提供。

3 仿真研究

3.1 散熱器外翅片間距對散熱能力的影響

根據(jù)散熱器供應商提供的數(shù)據(jù)，該散熱器外翅片的間距調(diào)整范圍為2～3mm，變化步長為0.2mm。保持其他參數(shù)不變，調(diào)整外翅片間距，帶入仿真模型計算散熱器性能，散熱器出口水溫隨外翅片間距變化規(guī)律見圖3。

由圖3可知，散熱器出口水溫隨著外翅片間距的增加而增大。分析認為，在散熱器總寬度不變的條件下，外翅片間距增加會導致翅片數(shù)量減少，即減小了空氣側(cè)總換熱面積，削弱了散熱器的熱交換能力，因而散熱器出口水溫增大。

式中，△T2為散熱器出口水溫隨外翅片間距變化幅值;△Sw為散熱器外翅片間距變化量。

代入圖3的數(shù)據(jù)至（7）式，可得外翅片間距平均敏感度為9.5573℃/mm。

3.2 散熱器內(nèi)翅片間距對散熱能力的影響

根據(jù)散熱器供應商提供的數(shù)據(jù)，該散熱器外翅片的間距調(diào)整范圍為5～10mm，變化步長為1mm。保持其他參數(shù)不變，帶入仿真模型計算散熱器性能，散熱器出口水溫隨外翅片間距變化規(guī)律見圖4。

由圖可知，散熱器出口水溫隨著內(nèi)翅片間距的增加而減小。分析認為，散熱器內(nèi)翅片間距增大勢必減小內(nèi)翅片數(shù)量，從而減小散熱器的水側(cè)總換熱面積;另一方面，散熱器水側(cè)阻力受到內(nèi)翅密度制約，內(nèi)翅片間距增大有利于冷卻液流量提升，增大散熱器的換熱量，綜合效果為散熱器散熱能力有所增強。

代入圖4的數(shù)據(jù)至（8）式，可得內(nèi)翅片間距平均敏感度為0.0313℃/mm。

3.3 散熱器內(nèi)、外翅片高度對散熱能力的影響

由于散熱器芯體的尺寸受整車布局的限制，所以外翅片高度增加值需與內(nèi)翅片高度減小值保持一致。設(shè)定內(nèi)翅片高度變化范圍為2～4mm;變化步長為0.5 mm;對應外翅片高度變化范圍為9.4～11.4 mm。內(nèi)、外翅片高度變化時;水泵流量和風扇的風量也隨之變化，繼而影響到散熱器的換熱量。翅片高度對散熱能力的影響見圖5。

由圖可知，散熱器出口水溫隨著內(nèi)翅片高度的增加而迅速減小。分析認為，散熱器內(nèi)翅片高度決定了水側(cè)通道的水力直徑，內(nèi)翅片高度增大，增大了水側(cè)的換熱面積，由于外翅片高度降低，增大了空氣側(cè)的阻力，導致流經(jīng)散熱器的空氣流量減小，因此，當內(nèi)翅片高度增大到一定程度后，散熱器的換熱能力不再增加。總的來說，內(nèi)翅片的高度不宜過小。

4 結(jié)論

通過搭建發(fā)動機冷卻系統(tǒng)仿真模型，分析翅片幾何參數(shù)對散熱器的散熱能力的影響，得到以下結(jié)論：

（1）散熱器的外翅片間距對其散熱能力有較大影響，隨著翅片間距，散熱器換熱能力增大。

（2）散熱器內(nèi)翅片間距的變化并不會對散熱器的散熱性能造成明顯影響。

（3）散熱器內(nèi)翅片的高度不宜過小。

參考文獻

[1] 張斌等.基于AMESim的發(fā)動機散熱器散熱性能研究[J].現(xiàn)代機械， 2018（1）：44-48.

[2] 張秉坤等.基于AMESim 發(fā)動機冷卻系統(tǒng)的參數(shù)匹配仿真分析[J].機械設(shè)計與制造，2016 （12）：190-193.

[3] 李文躍等.發(fā)動機冷卻系統(tǒng)匹配計算與仿真分析[J].建筑機械， 2017 （12）：67-70.

[4] 徐立平等.基于AMESim 發(fā)動機冷卻系統(tǒng)匹配仿真分析[J].機械研究與應用，2014（1）：42-44.