王維偉，鄭再象，劉龍婷，王輝，王世楠

百葉窗翅片式散熱器性能數(shù)值模擬與優(yōu)化

王維偉，鄭再象*，劉龍婷，王輝，王世楠

（揚(yáng)州大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，江蘇 揚(yáng)州 225009 ）

文章以某百葉窗翅片式散熱器為研究對(duì)象，取傳熱因子、摩擦因子、綜合性能因子為量化指標(biāo)，借助Fluent軟件模擬散熱器在不同工況下的流場(chǎng)、溫度場(chǎng)及壓力場(chǎng)分布情況，研究散熱器的傳熱及流阻性能，并通過(guò)風(fēng)洞試驗(yàn)驗(yàn)證仿真結(jié)果的可靠性。結(jié)合試驗(yàn)結(jié)果設(shè)計(jì)了一種新型孔狀百葉窗翅片散熱器，與傳統(tǒng)百葉窗翅片散熱器相比，傳熱因子最大提高了14.6%，摩擦因子最大減小了9.8%，綜合性能因子提高了9.8%-14%，傳熱及流阻性能有明顯提升。

孔狀翅片；散熱器；數(shù)值模擬；風(fēng)洞試驗(yàn)

前言

隨著車(chē)輛排放標(biāo)準(zhǔn)的不斷提高，發(fā)動(dòng)機(jī)向著“高功率、低排放、輕量化”的方向發(fā)展，發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速上升，比功率增大，所產(chǎn)生的熱負(fù)荷也增加，導(dǎo)致機(jī)件強(qiáng)度降低，易發(fā)生塑性變形，影響部件的配合間隙，減少零件的使用壽命。[1-3]散熱器是發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻系統(tǒng)的關(guān)鍵部件，采用經(jīng)驗(yàn)法設(shè)計(jì)，常導(dǎo)致散熱性能不足，流阻過(guò)大，不能滿足實(shí)際需求，且試驗(yàn)時(shí)間和經(jīng)費(fèi)較多。[4-6]本文以某汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)百葉窗翅片散熱器為研究對(duì)象，借助Fluent軟件，分析不同工況下熱散器的散熱和流阻性能，為散熱器的設(shè)計(jì)提供一種新的設(shè)計(jì)和優(yōu)化方法。

1 仿真試驗(yàn)設(shè)計(jì)及數(shù)值模擬分析

1.1 結(jié)構(gòu)分析

散熱芯為散熱器主要的工作部件，外形呈長(zhǎng)方體狀，外部連接著進(jìn)出水管、固定機(jī)構(gòu)等，內(nèi)部由翅片、水管等構(gòu)成，其外形尺寸為704 mm×542 mm×26mm，百葉窗翅片數(shù)量為64片，間距1.1mm，角度為23°，材料選用3003鋁合金。

1.2 建立有限模型

散熱芯由水管和翅片構(gòu)成，外形尺寸大，翅片數(shù)量多，局部結(jié)構(gòu)精細(xì)，如果單元尺寸大，則網(wǎng)格質(zhì)量差，影響計(jì)算精度；如果單元尺寸小，則單元數(shù)量大，計(jì)算效率低，因此需要對(duì)計(jì)算模型進(jìn)行簡(jiǎn)化。因流體在散熱芯上的流動(dòng)具有周期性和對(duì)稱(chēng)性，取百葉窗翅片的一半，以管壁代替散熱水管建立有限元模型，忽略流體重力對(duì)散熱器性能的影響，適當(dāng)放大流體域。簡(jiǎn)化傳熱過(guò)程，定義翅片為發(fā)熱壁面，表面溫度恒定358.15K。所建立的百葉窗翅片簡(jiǎn)化有限元模型如圖1所示。

圖1 百葉窗翅片簡(jiǎn)化有限元模型

1.3 邊界條件設(shè)定

設(shè)定入口風(fēng)速4、6、10m/s三種工況，流體溫度恒定298.15K。出口邊界條件為自由流出。百葉窗翅片結(jié)構(gòu)具有對(duì)稱(chēng)性和周期性，為減小計(jì)算工作量，將百葉窗翅片剖面定義為對(duì)稱(chēng)性symmetry邊界條件，計(jì)算域上下平面設(shè)定為周期性邊界條件。[7][8]

1.4 數(shù)值模擬結(jié)果分析

表1給出了3種工況下百葉窗翅片流場(chǎng)的溫度、速度、壓力分布情況。從表中可知，進(jìn)口風(fēng)速越快，翅片冷卻效果越明顯，散熱器出口流速和最大流速越快，同時(shí)空氣側(cè)壓降也越大。這是因?yàn)樵诘土魉贂r(shí)，空氣在翅片表面停留時(shí)間較長(zhǎng)，熱量不能及時(shí)帶出，散熱效果較差。相反在高空氣流速時(shí)，氣流在百葉窗的切削作用下，使翅片表面流體邊界層變薄，最大流速和出口流速加快，此時(shí)翅片表明最小溫度由340K降至331K，出口溫度也由337K降至328K，散熱效果更明顯。同時(shí)隨著進(jìn)口風(fēng)速的升高，百葉窗擾流作用加大，脈動(dòng)阻力也隨之增加，最大流速的增幅由83.5%降低至76.7%，空氣側(cè)壓降由38.2Pa增加至181.9Pa。

表1 數(shù)值模擬結(jié)果

圖2給出了進(jìn)口風(fēng)速6m/s時(shí)散熱器的速度、溫度和壓力分布云圖。從圖2（a）中可以看出，空氣在百葉窗結(jié)構(gòu)的干擾下，流速逐漸上升至最高10.6m/s，通過(guò)百葉窗區(qū)域后，逐漸減緩至6.38m/s。圖2（b）中，冷卻空氣進(jìn)入百葉窗后與高溫翅片進(jìn)行熱交換，流出翅片區(qū)域時(shí)溫度升至最高，最終在散熱器末端與主流區(qū)冷空氣會(huì)合，溫度降至平緩流出。熱對(duì)流交換過(guò)程中，翅片前半部分冷卻空氣由298K上升至319K，而后半部分由322K上升到331K，前者換熱更明顯，冷卻效果更好。從圖（2）c可知，空氣進(jìn)入散熱器后百葉窗截面厚度阻擋空氣流通，壓力升高，通過(guò)百葉窗區(qū)域后，壓力在脈動(dòng)阻力和摩擦阻力的作用下不斷減小。

2 風(fēng)筒試驗(yàn)及性能分析

2.1 風(fēng)筒試驗(yàn)

試驗(yàn)臺(tái)由循環(huán)水加熱裝置、風(fēng)筒循環(huán)水路、風(fēng)機(jī)、水泵、測(cè)試儀器及控制設(shè)備組成，在散熱器上選取20個(gè)均勻分布的測(cè)溫點(diǎn)，每個(gè)測(cè)溫點(diǎn)放置一片銅鎳合金的熱電偶，用于檢測(cè)散熱器溫度變化。[9]試驗(yàn)室內(nèi)溫度為25℃，風(fēng)筒入口溫度恒定為85℃，空氣流速分別設(shè)置為2m/s、4m/s、6m/s、8m/s、10m/s。

2.2 試驗(yàn)數(shù)據(jù)處理

假設(shè)空氣為不可壓縮流體，散熱器性能評(píng)價(jià)指標(biāo)：傳熱因子、摩擦因子、綜合性能因子計(jì)算公式分別如下：

傳熱因子及摩擦因子：

式中：——普朗特?cái)?shù)；——空氣密度kg/m3；——速度m/s；——表示計(jì)算流域的長(zhǎng)度m

綜合性能評(píng)價(jià)因子考慮了傳熱和流阻兩方面的性能，為=1?3。

對(duì)試驗(yàn)與模擬仿真結(jié)果按上述公式進(jìn)行計(jì)算處理，得出各項(xiàng)評(píng)價(jià)指標(biāo)數(shù)據(jù)對(duì)比，結(jié)果如圖3所示：

圖3 試驗(yàn)與仿真結(jié)果對(duì)比

對(duì)比試驗(yàn)與仿真結(jié)果，兩者誤差較小且變化趨勢(shì)一致。分析誤差產(chǎn)生原因有以下幾種：（1）仿真模型由實(shí)物的簡(jiǎn)化得到，兩者存在誤差（2）仿真試驗(yàn)忽略了冷卻管壁的導(dǎo)熱作用。（3）試驗(yàn)臺(tái)設(shè)備精度影響最終結(jié)果。

3 新型孔狀百葉窗翅片散熱器

結(jié)合上文的研究，提出一種新型孔狀百葉窗翅片散熱器。一方面孔狀翅片可以有效地減少散熱器質(zhì)量，一定程度上實(shí)現(xiàn)輕量化。另一方面可以使空氣沿著孔流動(dòng)，加快空氣流速增強(qiáng)翅片的擾動(dòng)作用，提高換熱系數(shù)達(dá)到提高散熱性能的效果。

對(duì)新型孔狀百葉窗翅片進(jìn)行散熱及流阻性能研究，取入口空氣流速6m/s的仿真結(jié)果對(duì)比分析，如圖4所示：

圖4 空氣流速6m/s時(shí)溫度與壓力分布

由圖4（a）可見(jiàn)孔狀翅片出口處溫度較傳統(tǒng)翅片溫度更低，散熱效果更優(yōu)。圖4（b）展現(xiàn)了由于孔狀翅片結(jié)構(gòu)，空氣通過(guò)的速度變快，摩擦阻力較小，所產(chǎn)生的壓降較傳統(tǒng)翅片散熱器更小。

對(duì)比傳統(tǒng)翅片與新型孔狀翅片的性能指標(biāo)，如圖5所示。兩者性能指標(biāo)的變化趨勢(shì)大體一致，孔狀翅片散熱器性能優(yōu)于傳統(tǒng)翅片。其中傳熱因子最大增幅為14.6%，摩擦因子最大降幅為9.8%，綜合評(píng)價(jià)因子增幅在9.8%-14%。

圖5 新型孔狀翅片與傳統(tǒng)翅片性能對(duì)比

4 總結(jié)

本文通過(guò)對(duì)某百葉窗翅片式散熱器在不同入口風(fēng)速下流阻、傳熱及綜合性能研究，得出以下結(jié)論：

（1）對(duì)比百葉窗翅片數(shù)值模擬與試驗(yàn)的結(jié)果，兩者誤差在10%以?xún)?nèi)，證明該方法可靠。

（2）隨著入口風(fēng)速的提高，散熱器各項(xiàng)性能評(píng)價(jià)指標(biāo)均呈拋物線式下降。

（3）對(duì)比傳統(tǒng)翅片散熱器，新型孔狀翅片散熱器在流阻性能、傳熱性能及綜合性能方面更優(yōu)。

[1] 錢(qián)學(xué)成,劉佳鑫,李建功,程亮.翼型結(jié)構(gòu)對(duì)車(chē)用管片散熱器性能的影響[J].低溫與超導(dǎo),2020,48(05):53-58.

[2] 王玉剛,軒詩(shī)瑤,趙曉東,耿麗萍.液冷散熱器性能測(cè)試系統(tǒng)的研制[J].中國(guó)測(cè)試,2020,46(04):97-101+142.

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Numerical Simulation and Optimization of Shutter Fin Radiator Performance

Wang Weiwei, Zheng Zaixiang*, Liu Longting, Wang Hui, Wang Shinan

( School of mechanical engineering, Yangzhou university, Jiangsu Yangzhou 225009 )

In this paper, a shutter finned radiator is taken as the research object. heat transfer factorand friction factor, comprehensive performance factoras quantitative indicators, Fluent software was used to simulate the distribution of flow field, temperature field and pressure field of radiator under different working conditions. The performance of heat transfer and flow resistance of radiator is studied, and the reliability of simulation results is verified by wind tunnel test. Combined with the experimental results, a new type of finned louver radiator is designed. Compared with the traditional louver finned radiator, the heat transfer factor increases by 14.6%, the friction factor decreases by 9.8%, the comprehensive performance factor increases by 9.8%-14%, and the heat transfer and flow resistance performance is significantly improved.

Pore fin; Radiator; Numerical simulation; Wind tunnel tests

10.16638/j.cnki.1671-7988.2021.02.021

U464.138.2

A

1671-7988(2021)02-66-04

U464.138.2

A

1671-7988(2021)02-66-04

王維偉，碩士研究生，就讀于揚(yáng)州大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，從事車(chē)身結(jié)構(gòu)與流體研究。

鄭再象，就職于揚(yáng)州大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院。