冷卻系統(tǒng)散熱器流阻超差分析及設(shè)計優(yōu)化

靳德才，楊曉榮，楊國偉

(江鈴汽車股份有限公司，江西南昌 330000)

0 引言

冷卻系統(tǒng)散熱器流阻過大會影響整個水系統(tǒng)的水流量，從而影響整車的冷卻性能，嚴(yán)重的甚至?xí)斐烧嚫邷氐纫幌盗袉栴}[1-3]。散熱器開發(fā)過程中，遇到散熱器流阻偏高的問題，通過仿真軟件計算分析，可以快速找到流阻力偏高的原因，進(jìn)而對散熱器結(jié)構(gòu)進(jìn)行相應(yīng)的優(yōu)化設(shè)計，減少了開發(fā)周期和開發(fā)成本。

文中闡述了某車型對冷卻系統(tǒng)散熱器開發(fā)過程中的結(jié)構(gòu)設(shè)計及性能優(yōu)化。內(nèi)容分為4個部分：(1)散熱器流阻設(shè)計目標(biāo);(2)手工件散熱器、開模件散熱器樣件結(jié)構(gòu)及單體性能流阻對比;(3)開模件散熱器相對手工件散熱器流阻偏大原因分析;(4)開模件散熱器結(jié)構(gòu)設(shè)計優(yōu)化。

1 散熱器流阻設(shè)計目標(biāo)

散熱器流阻設(shè)計目標(biāo)為：水流量30 L/min工況下流阻5.7 kPa；水流量60 L/min工況下流阻11.9 kPa；水流量90 L/min工況下流阻20.8 kPa；水流量120 L/min工況下流阻32.4 kPa。樣件流阻允許超差設(shè)計目標(biāo)范圍在10%以內(nèi)。環(huán)境溫度25 ℃， 流阻允許超差范圍小于10%的設(shè)計目標(biāo)見表1。

表1 散熱器流阻設(shè)計目標(biāo)

2 問題描述分析

基于設(shè)計目標(biāo)進(jìn)行了散熱器手工件和開模件的設(shè)計，設(shè)計3D數(shù)模如圖1和圖2所示。基于3D完成相應(yīng)樣件制作，分別對手工件散熱器和開模件散熱器進(jìn)行散熱器單體性能測試，手工件散熱器流阻測試結(jié)果見表2，開模件散熱器流阻測試結(jié)果見表3。

圖1 手工件散熱器三維圖

圖2 開模件散熱器三維圖

表2 手工件散熱器流阻測試結(jié)果(環(huán)境溫度25 ℃， ITD 60 ℃)

表3 開模件散熱器流阻測試結(jié)果(環(huán)境溫度25 ℃， ITD 60 ℃)

由表2可知，手工件散熱器流阻最大工況點在120 L/min流量工況，流阻超差目標(biāo)值5.31%，在允許超差范圍10%以內(nèi)，滿足設(shè)計目標(biāo)。由表3可知，開模件散熱器流阻最大工況點在120 L/min流量工況，流阻超差目標(biāo)值64.66%，超過了允許超差目標(biāo)范圍10%，不滿足設(shè)計要求。

3 真因排查

3.1 工裝件散熱器與手工件散熱器內(nèi)部流阻仿真

通過使用CFD流體仿真軟件Fluent對手工件散熱器和開模件散熱器進(jìn)行流體力學(xué)仿真，仿真60 L/min流量工況內(nèi)部流阻，得到仿真結(jié)果如圖3所示。發(fā)現(xiàn)芯體與出水室處開模件與手工件散熱器流阻相當(dāng)，但進(jìn)水室處開模件流阻5.28 kPa，手工件流阻3.04 kPa，開模件相對手工件流阻超差72%， 初步判定開模件散熱器與手工件散熱器進(jìn)水室結(jié)構(gòu)不一致導(dǎo)致流阻超差。

圖3 開模件散熱器與手工件散熱器60 L/min流量工況流阻仿真結(jié)果

3.2 工裝件散熱器與手工件散熱器結(jié)構(gòu)差異對比

如圖4和圖5所示，手工件散熱器進(jìn)水室截面積為533 mm2，進(jìn)水室高度19.75 mm ，如圖6和圖7所示，工裝件散熱器進(jìn)水室截面積為254 mm2，水室高度12.8 mm。對比工裝件與手工件散熱器結(jié)構(gòu)差異，發(fā)現(xiàn)工裝件進(jìn)水室截面積相對于手工件減小52%，工裝件進(jìn)水室高度相對于手工件減小35%。判定開模件散熱器水阻超差原因為進(jìn)水室截面積過小和進(jìn)水室高度過低，整個進(jìn)水室容積減小過多所致。

圖4 手工件散熱器進(jìn)水室截面面積示意

圖5 手工件散熱器進(jìn)水室高度示意

圖6 開模件散熱器進(jìn)水室截面面積示意

圖7 開模件散熱器進(jìn)水室高度示意

4 散熱器結(jié)構(gòu)優(yōu)化

4.1 開模件散熱器結(jié)構(gòu)優(yōu)化

對開模件散熱器的結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，開模件散熱器水室高度增加至21.8 mm ，開模件進(jìn)水室截面積增加到528 mm2，如圖8和圖9所示。

圖8 優(yōu)化后開模件散熱器進(jìn)水室截面面積示意

圖9 優(yōu)化后開模件散熱器進(jìn)水室高度示意

4.2 優(yōu)化后工裝件散熱器內(nèi)部流阻仿真

使用CFD流體仿真軟件Fluent優(yōu)化后開模件散熱器進(jìn)行流體力學(xué)仿真，仿真60 L/min流量工況下優(yōu)化后開模件散熱器內(nèi)部流阻，仿真結(jié)果如圖10所示，發(fā)現(xiàn)進(jìn)水室、芯體、出水室處流阻分別為2.69、5.84、0.94 kPa，均小于手工件散熱器流阻3個位置仿真壓降3.04、6.24、1.48 kPa。手工件散熱器樣件單體性能流阻實測滿足設(shè)計目標(biāo)要求，判定優(yōu)化后開模件散熱器流阻可以滿足設(shè)計目標(biāo)要求。

圖10 優(yōu)化后開模散熱器、開模件散熱器、手工件散熱器60 L/min流量工況流阻仿真結(jié)果對比

5 結(jié)論

(1)在冷卻系統(tǒng)散熱器開發(fā)過程中，開模件散熱器相對于手工件散熱器內(nèi)部流阻嚴(yán)重超差，不滿足設(shè)計流阻目標(biāo)要求。通過使用CFD流體力學(xué)軟件進(jìn)行仿真，找到散熱器流阻超差原因：開模件散熱器在設(shè)計過程中沒有考慮到散熱器進(jìn)水室截面積、進(jìn)水室高度會對散熱器流阻產(chǎn)生較大影響，致使工裝件散熱器流阻超差。

(2)對工裝件散熱器水室結(jié)構(gòu)優(yōu)化，使最終優(yōu)化后的散熱器仿真結(jié)果滿足設(shè)計目標(biāo)要求。為后續(xù)散熱器的開發(fā)提供經(jīng)驗借鑒。

(3)通過CFD流體力學(xué)仿真軟件可以快速找出問題原因，針對根本原因進(jìn)行相應(yīng)結(jié)構(gòu)優(yōu)化，減少了散熱器開發(fā)周期和開發(fā)成本，能夠起到一定的參考價值。