基于AMESim散熱器串并聯(lián)布置對(duì)性能影響分析

李 揚(yáng)，李 鵬，杜少杰

（黃河交通學(xué)院汽車(chē)工程學(xué)院，河南 焦作 454950）

1 引言

發(fā)動(dòng)機(jī)廢氣渦輪增加技術(shù)提升了發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力性，同時(shí)使得進(jìn)氣溫度上升，對(duì)進(jìn)氣量有一定的影響，因此，在一些大型車(chē)輛上一般配置有負(fù)載設(shè)備冷卻系統(tǒng)，采用中低溫散熱器進(jìn)行冷卻散熱。而中低溫散熱器與高溫散熱器通常組合在一起形成散熱器模塊，配置在車(chē)輛前端，通過(guò)冷卻風(fēng)扇強(qiáng)制散熱，實(shí)現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)的正常工作[1]。而兩種散熱器的布置形式，對(duì)散熱效率有一定的影響，因此，對(duì)此進(jìn)行研究具有一定的應(yīng)用價(jià)值。

國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)散熱進(jìn)行一定研究：文獻(xiàn)[2]采用風(fēng)洞試驗(yàn)的方法，對(duì)散熱器的質(zhì)量風(fēng)速與冷卻效果之間關(guān)系進(jìn)行研究；文獻(xiàn)[3]采用一維軟件建立發(fā)動(dòng)機(jī)熱管理系統(tǒng)模型，分析散熱器和冷卻風(fēng)扇之間的匹配關(guān)系。

文獻(xiàn)[4]采用三維軟件建立散熱器模型，分析結(jié)果參數(shù)對(duì)性能的影響規(guī)律。

文獻(xiàn)[5]采用數(shù)值分析的方法，對(duì)散熱系統(tǒng)的匹配性進(jìn)行分析；文獻(xiàn)[6]采用試驗(yàn)方法，分析散熱器布置對(duì)冷卻效果的影響。

針對(duì)散熱器、中冷器、冷卻風(fēng)扇、冷卻水泵等進(jìn)行建模，基于AMESim搭建發(fā)動(dòng)機(jī)熱管理系統(tǒng)模型，結(jié)合試驗(yàn)參數(shù)對(duì)換熱系數(shù)進(jìn)行擬合，對(duì)系統(tǒng)的冷卻效果進(jìn)行分析；根據(jù)高溫散熱器和中低溫散熱器的不同布置形式，獲取發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)出口冷卻液溫度，對(duì)比兩種布置形式的優(yōu)缺點(diǎn)。

2 發(fā)動(dòng)機(jī)熱管理系統(tǒng)模型

2.1 發(fā)動(dòng)機(jī)散熱系統(tǒng)

發(fā)動(dòng)機(jī)散熱系統(tǒng)，如圖1所示。系統(tǒng)主要包括散熱器、中冷器、冷卻風(fēng)散、節(jié)溫器等主要單元，各單元之間既有獨(dú)立的循環(huán)系統(tǒng)，而相互之間又互相干涉，是一個(gè)復(fù)雜的熱系統(tǒng)[7]。

圖1 發(fā)動(dòng)機(jī)散熱系統(tǒng)Fig.1 Engine Cooling System

圖2 特性曲線Fig.2 Characteristic Curve

2.2 發(fā)動(dòng)機(jī)熱管理系統(tǒng)模型

2.2.1 散熱器參數(shù)

散熱器和冷卻風(fēng)扇是重要的熱交換單元，風(fēng)扇帶來(lái)的冷卻風(fēng)強(qiáng)制與散熱器進(jìn)行熱交換，實(shí)現(xiàn)熱量的轉(zhuǎn)移。

二者均可通過(guò)風(fēng)洞試驗(yàn)獲取性能[8]，可寫(xiě)作如下式所示：

2.2.2 換熱系數(shù)設(shè)置

假設(shè)整個(gè)換熱過(guò)程無(wú)熱量損失，發(fā)動(dòng)機(jī)的散熱全部通過(guò)散熱器散發(fā)[9]，采用換熱系數(shù)半經(jīng)驗(yàn)公式：

式中：km、Ma、Mf、aair、bair—待定系數(shù)，各系數(shù)可通過(guò)逐次逼近的方式進(jìn)行求解。散熱器的換熱系數(shù)宏程序，如圖3所示。

圖3 換熱系數(shù)宏程序Fig.3 Heat Transfer Coefficient Macro Program

2.2.3 水泵參數(shù)設(shè)定

為了準(zhǔn)確全面的表征離心泵的特性，需在一定轉(zhuǎn)速下，將實(shí)驗(yàn)測(cè)得各項(xiàng)參數(shù)關(guān)系繪成一條曲線，即離心水泵的特性曲線[10]，如圖4（a）所示。用ASCII寫(xiě)入AMESim的曲線，如圖4（b）所示。

圖4 水泵特性曲線Fig.4 Pump Characteristic Curve

3 發(fā)動(dòng)機(jī)熱管理模型

3.1 仿真模型

在AMESim 中建立發(fā)動(dòng)機(jī)熱管理模型[11]，結(jié)構(gòu)圖，如圖5所示。

圖5 冷卻系統(tǒng)模型Fig.5 Cooling System Model

主要零部件的參數(shù)已在設(shè)計(jì)部分列出，其余整車(chē)結(jié)構(gòu)和性能數(shù)據(jù)，如表1所示。

表1主要參數(shù)表Tab.1 Main Parameter List

3.2 計(jì)算結(jié)果分析

發(fā)動(dòng)機(jī)達(dá)到額定轉(zhuǎn)速1900rpm時(shí)，散熱器內(nèi)外流體分布，如圖6、圖7所示。

圖6 散熱器外流體熱分布Fig.6 Heat Distribution Outside the Radiator

從圖7（a）可以看出，經(jīng)過(guò)換熱呈現(xiàn)出的狀態(tài)與之前一直，左低右高。從圖7（b）～圖7（d）可以看出，散熱器液體流入口的溫度最低，77.96℃，與入口位置越遠(yuǎn)溫度越高，最高溫度為92.03℃。

圖7 散熱器內(nèi)流體熱分布Fig.7 Heat Distribution in the Heat Sink

從圖6（a）可以看出，經(jīng)換熱后，溫度呈現(xiàn)出左低右高。從圖6（b）～圖6（d）可以看出，最右側(cè)溫度高達(dá)53.09℃，中間區(qū)域?yàn)?5.01℃，而最左側(cè)區(qū)域?yàn)?1.16℃。

4 散熱器串并聯(lián)布置方式對(duì)比

4.1 散熱器串聯(lián)與并聯(lián)安裝

中冷器可以與散熱器串聯(lián)（前后布置），或并聯(lián)布置（左右布置）[12-13]，如圖8所示。

圖8 布置形式Fig.8 Layout

串聯(lián)布置可以增大散熱器的正面面積，提高散熱能力；并聯(lián)布置最大的優(yōu)點(diǎn)是可以減小風(fēng)阻，降低散熱器冷卻空氣的進(jìn)口溫度。

在原模型的基礎(chǔ)上，將散熱器和中冷器的正面面積減小，使中冷器和散熱器并聯(lián)，如圖9所示。

圖9 不同布置形式模型Fig.9 Different Layout Models

4.2 分析結(jié)果對(duì)比

環(huán)境溫度和液體的初始溫度均設(shè)置為20℃。減小正面面積的同時(shí)增大散熱面積減小流體體積，采用圖9并聯(lián)布置考察比較兩種冷卻系統(tǒng)。經(jīng)600s仿真結(jié)束后，內(nèi)外流體具體的溫度變化，如圖10所示。

圖10 流體溫度變化曲線Fig.10 Fluid Temperature Curve

從圖10（a）冷卻液的溫度變化曲線可以看出，發(fā)動(dòng)機(jī)出水溫度93.38℃，經(jīng)過(guò)一系列的熱交換，最后回到進(jìn)水口的溫度為87.59℃。發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)出口溫差5.79℃，滿足發(fā)動(dòng)機(jī)工作要求。散熱器進(jìn)出口溫差7.81℃，滿足散熱要求。從圖10（b）可知，冷卻空氣與中冷和高溫散熱器進(jìn)行熱交換后的溫度分別為28.52℃和70.68℃。兩種形式熱分布對(duì)比，如圖11所示。

圖11 兩種形式熱分布對(duì)比Fig.11 Comparison of Heat Distribution Between the Two Systems

從圖11可以看到兩種冷卻系統(tǒng)內(nèi)流體和外流體的熱分布情況，經(jīng)監(jiān)測(cè)，散熱器冷卻空氣進(jìn)氣側(cè)在并聯(lián)系統(tǒng)中為環(huán)境溫度，比串聯(lián)系統(tǒng)溫度降低4.55℃；散熱器內(nèi)冷卻液溫度自進(jìn)水口至出水口遞減，最高溫度93.38℃，中間區(qū)域90.78℃，最低溫度87.59℃。具體仿真數(shù)據(jù)對(duì)比，如表2所示。

從表2及圖11可以看出，相對(duì)于串聯(lián)的布置形式，將散熱器和中冷器正面面積減半并聯(lián)布置后，發(fā)動(dòng)機(jī)出口溫升提高1.41℃，回水溫差提高2.22℃，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的性能影響較小，但整車(chē)結(jié)構(gòu)變得更加緊湊，空間得到了更加充分的利用。

表2 兩種布置形式結(jié)果對(duì)比Tab.2 Comparison of the Result of the Two Layouts

5 結(jié)論

基于AMESim 發(fā)動(dòng)機(jī)熱管理模型，對(duì)串并聯(lián)散熱器性能進(jìn)行對(duì)比分析，結(jié)果可知：

（1）散熱器冷卻空氣進(jìn)氣側(cè)在并聯(lián)系統(tǒng)中為環(huán)境溫度，比串聯(lián)系統(tǒng)溫度降低4.55℃；散熱器內(nèi)冷卻液溫度自進(jìn)水口至出水口遞減，最高溫度93.38℃，中間區(qū)域90.78℃，最低溫度87.59℃；

（2）相對(duì)于串聯(lián)的布置形式，將散熱器和中冷器正面面積減半并聯(lián)布置后，發(fā)動(dòng)機(jī)出口溫升提高1.41℃，回水溫差提高2.22℃，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的性能影響較小，但整車(chē)結(jié)構(gòu)變得更加緊湊，空間得到了更加充分的利用；

（3）相較于串聯(lián)式布置，并聯(lián)式布置形式可以使得中冷散熱器和高溫散熱器都能更充分的散熱，散熱效果更優(yōu)，但管道布置比并聯(lián)式略復(fù)雜。