弧形渦發(fā)生器對(duì)車用散熱器的影響研究

馬宗鵬，黃瑛

（550025 貴州省 貴陽市 貴州大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院）

0 引言

汽車散熱器可以有效避免發(fā)動(dòng)機(jī)過熱，保證發(fā)動(dòng)機(jī)在合適的溫度下運(yùn)作，是發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻系統(tǒng)必不可少的組成部分，其散熱性能將直接影響車輛的運(yùn)行性能和使用壽命。隨著現(xiàn)代汽車工業(yè)的發(fā)展和節(jié)能減排要求的日益提高、各類高科技產(chǎn)品在汽車上的應(yīng)用以及汽車散熱器惡劣的工作環(huán)境，對(duì)汽車散熱器的散熱性能有了更高的要求[1-4]。

管片裝配式散熱器是目前應(yīng)用較為廣泛的散熱器之一，其散熱芯體由大量的翅片和管組成，結(jié)構(gòu)如圖1 所示，翅片的結(jié)構(gòu)對(duì)散熱器的散熱性能有重要影響。李娟等[5]利用數(shù)值分析得到了橫排三角形多孔翅片的傳熱性能，通過驗(yàn)證不同開孔率，得到開孔率與傳熱性能成正相關(guān)；劉亞東等[6]對(duì)安裝鋸齒形渦發(fā)生器的散熱器模型進(jìn)行了數(shù)值仿真，分析了不同渦發(fā)生器下的JF 因子，研究結(jié)果表明，散熱器的傳熱能力有顯著增強(qiáng)；劉宜仔等[7]通過實(shí)驗(yàn)研究與數(shù)值分析相結(jié)合的方式研究了三角翼和矩形翼渦發(fā)生器對(duì)空氣側(cè)流場(chǎng)的影響，結(jié)果表明，三角翼渦發(fā)生器與針柱型散熱器的組合強(qiáng)化傳熱能力最強(qiáng)。Song 等[8]研究了不同橫向位置和攻角的凹曲線渦發(fā)生器對(duì)換熱器熱工水力特性的影響以及5 種不同橫向位置的渦流發(fā)生器，結(jié)果表明，凹曲線渦發(fā)生器與波紋翅片組合使用，可以顯著改善波紋翅片管式換熱器的換熱性能。

圖1 管片裝配式散熱器Fig.1 Fin-and-tube assembled radiator

以上研究證明，渦發(fā)生器的設(shè)置主要改變了散熱管周圍空氣的流場(chǎng)狀態(tài)，在一定程度上加強(qiáng)了空氣的湍流程度。同時(shí)，合理的渦發(fā)生器形狀可以引導(dǎo)空氣方向，增加散熱管壁與空氣的對(duì)流換熱強(qiáng)度，提高散熱器的散熱能力。目前研究的管型以圓管、扁管較多，對(duì)特殊管型的渦發(fā)生器研究較少，通過實(shí)驗(yàn)或數(shù)值研究成為對(duì)散熱器散熱性能研究的主要方法，實(shí)驗(yàn)法周期長(zhǎng)、成本高，數(shù)值研究方法周期短，成本低。考慮到數(shù)值模擬的可靠性，采用基于有限體積法的Fluent 軟件進(jìn)行CFD 建模，將收腰管作為基礎(chǔ)研究管型建立計(jì)算模型，同時(shí)在管外設(shè)置空氣域構(gòu)成兩相對(duì)流換熱模型進(jìn)行數(shù)值模擬分析。對(duì)平翅片、弧形渦發(fā)生器1#、2#、3#，這4種翅片進(jìn)行仿真，從空氣側(cè)溫度、速度、壓力和綜合性能等方面進(jìn)行比較分析，研究渦發(fā)生器對(duì)其傳熱特性和流動(dòng)特性的影響，對(duì)現(xiàn)代收腰管型散熱器的研發(fā)具有實(shí)際參考價(jià)值。

1 理論分析

1.1 模型建立

以某汽車散熱器廠家實(shí)際收腰管型散熱器為基礎(chǔ)管型，通過SolidWorks 軟件構(gòu)造各模型。收腰管散熱能力較強(qiáng)的原因之一是空氣在經(jīng)過其收腰部分時(shí)速度降低，且較長(zhǎng)的腰部結(jié)構(gòu)增加了空氣與管壁的散熱面積。合理設(shè)置渦發(fā)生器可增大收腰管腰部位置的湍流強(qiáng)度，進(jìn)而增強(qiáng)收腰管對(duì)流換熱能力。在平翅片上收腰管腰部同心弧位置設(shè)置了弧形渦發(fā)生器，通過控制弧形角度設(shè)置弧形渦發(fā)生器的方式構(gòu)建了弧形渦發(fā)生器1#、2#、3#。其模型尺寸如表1 所示，渦發(fā)生器的結(jié)構(gòu)示意圖如圖2 所示。

表1 渦發(fā)生器幾何尺寸Tab.1 Model geometry size of vortex generator structure

圖2 弧形渦發(fā)生器結(jié)構(gòu)示意圖Fig.2 Structure of arc-shapedvortex generator

1.2 基本假設(shè)

將模型簡(jiǎn)化為散熱單元，冷卻介質(zhì)為水，定性分析管外的流動(dòng)換熱情況。假設(shè)水和空氣為不可壓縮流體，物性參數(shù)為恒定，流動(dòng)為定常流動(dòng)，忽略重力的影響。如圖3 以平翅片散熱單元模型為代表展示了管內(nèi)和管外數(shù)值計(jì)算區(qū)域。

圖3 散熱單元模型Fig.3 Heat transfer unit model

邊界條件設(shè)定：（1）入口邊界條件：管內(nèi)水域和管外空氣域入口均為速度入口邊界條件，水的入口溫度設(shè)置為353 K，速度固定為2 m/s，空氣的入口溫度設(shè)置為293 K；（2）出口邊界條件均為壓力出口邊界條件，為一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)大氣壓；（3）固體壁面邊界條件：管內(nèi)壁和翅片與空氣接觸面為耦合傳熱面。

1.3 控制方程和邊界條件設(shè)置

模型的計(jì)算區(qū)域分別為管內(nèi)水和管外空氣的流體區(qū)域以及散熱管的固體區(qū)域，采用3 個(gè)基本控制方程：連續(xù)性方程、動(dòng)量方程和能量方程。

連續(xù)性方程：

上述控制方程采用Fluent 2020 的控制體積法求解。所有計(jì)算均采用雙精度選項(xiàng)，采用2 階迎風(fēng)離散控制方程的對(duì)流項(xiàng)、擴(kuò)散項(xiàng)等物理量；采用交錯(cuò)網(wǎng)格方式計(jì)算控制體表面的速度分量，控制流場(chǎng)的剩余變量存儲(chǔ)在控制體中心節(jié)點(diǎn)。Fluent 使用點(diǎn)隱式（Gauss-Seidel）線性方程解算器結(jié)合代數(shù)多重網(wǎng)格法的格式來求解離散化產(chǎn)生的線性系統(tǒng)。在所有仿真中，當(dāng)所有控制方程的迭代過程產(chǎn)生殘差時(shí)，都考慮了收斂解。

1.4 網(wǎng)格無關(guān)性驗(yàn)證

網(wǎng)格的數(shù)量對(duì)數(shù)值模擬的結(jié)果有很大的影響，為了驗(yàn)證網(wǎng)格的無關(guān)性，在空氣速度為2 m/s 的工況下選取了5 種網(wǎng)格數(shù)量計(jì)算其翅片表面的對(duì)流換熱系數(shù)和空氣最大速度，具體數(shù)據(jù)如表2 所示。當(dāng)網(wǎng)格數(shù)大于4 525 316 時(shí)，對(duì)流換熱系數(shù)和空氣最大速度趨平，誤差在允許范圍內(nèi)。此時(shí)網(wǎng)格數(shù)量滿足計(jì)算的精度要求，綜合考慮計(jì)算資源，采用網(wǎng)格數(shù)為4 525 316 的各種模型進(jìn)行數(shù)值模擬。

表2 網(wǎng)格的無關(guān)性驗(yàn)證Tab.2 Grid independence verification

2 結(jié)果和討論

2.1 弧形渦發(fā)生器對(duì)傳熱性能的影響

圖4 所示為各翅片散熱單元在不同空氣進(jìn)口速度下的翅片表面的努塞爾數(shù)對(duì)比。所有翅片的努塞爾數(shù)均隨空氣入口速度的增大而增大，弧形渦發(fā)生器3#的努塞爾數(shù)在各風(fēng)速下最高，其次是弧形渦發(fā)生器2#和1#，平翅片最低。當(dāng)空氣入口速度為14 m/s 時(shí)，弧形渦發(fā)生器3#相比于弧形渦發(fā)生器1#和平翅片，努塞爾數(shù)分別提高了2.8%和10.9%，與弧形渦發(fā)生器2#的努塞爾數(shù)相差不大。這說明在空氣速度為2～14 m/s 時(shí)，渦發(fā)生器的設(shè)置可以顯著增大翅片與空氣的換熱效率，但在弧形渦發(fā)生器1#、2#、3#之間，換熱能力有所不同。

圖4 不同翅片表面努塞爾數(shù)對(duì)比（2 m/s ≤ V ≤ 14 m/s）Fig.4 Comparison of Nusselt numbers on different fin surfaces（2 m/s ≤ V ≤ 14 m/s）

圖5 所示為相同空氣入口速度（10 m/s）時(shí)，各模型散熱單元的等位置溫度云圖。從圖5 可以明顯看出，與平翅片相比，空氣在渦發(fā)生器與收腰管之間的溫度明顯提高，在出口延長(zhǎng)區(qū)部分，空氣帶走的溫度也有明顯上升。隨著渦發(fā)生器弧度的增加，空氣在出口延長(zhǎng)區(qū)的溫度逐漸升高?；⌒螠u發(fā)生器的設(shè)置在一定程度上增加了翅片于空氣的接觸面積，相比平翅片來說可以將更多的熱量傳遞到空氣中，增加了散熱量。

圖5 不同翅片等值面溫度云圖對(duì)比Fig.5 Comparison of temperature nephogram of different fins on isosurface

此外，通過相同空氣入口速度下各散熱單元的速度流線圖（圖6）發(fā)現(xiàn)，弧形渦發(fā)生器的設(shè)置降低了空氣在收腰管腰部的空氣速度，增強(qiáng)了收腰管腰部的湍流強(qiáng)度，在收腰管的基礎(chǔ)上進(jìn)一步加強(qiáng)了外管壁與空氣的對(duì)流換熱。同時(shí)，弧形渦發(fā)生器隨著弧度的增加，收腰管腰部的空氣速度降低。

圖6 不同翅片等值面速度流線圖對(duì)比Fig.6 Comparison of isosurface velocity streamlines for different fins

2.2 弧形渦發(fā)生器的阻力性能分析

圖7 是4 種翅片在2～14 m/s 的7 個(gè)工況（步長(zhǎng)2 m/s）下空氣的進(jìn)出口壓降，壓降越大表明翅片對(duì)空氣的阻力越強(qiáng)。由圖7 可以看到，各翅片壓降隨空氣速度的增加而增大。渦發(fā)生器的設(shè)置不可避免地增加了空氣壓降，在各風(fēng)速下，帶有弧形渦發(fā)生器設(shè)置的翅片壓降均高于平翅片，且隨著空氣入口速度的提高壓降差距增大。其中，弧形渦發(fā)生器3#的壓降最大，其次是弧形渦發(fā)生器2#和1#。當(dāng)空氣入口速度為14 m/s 時(shí)，弧形渦發(fā)生器3#相比于弧形渦發(fā)生器2#、1#和平翅片，壓降上升了3.3%、7.8%和12.0%。

圖7 不同翅片空氣進(jìn)出口壓降Fig.7 Pressure drop at air inlet and outlet of different fins

2.3 綜合性能評(píng)價(jià)

通過上文數(shù)據(jù)分析可得，弧形渦發(fā)生器對(duì)空氣流動(dòng)的改變確實(shí)增強(qiáng)了散熱能力，但也增加了空氣壓降。在實(shí)際應(yīng)用中，不僅要考慮傳熱性能，還要考慮到壓降增大對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的負(fù)面影響，所以對(duì)一種新型翅片需要綜合評(píng)價(jià)（PEC）。綜合評(píng)價(jià)因子表達(dá)式為

式中：Nu0、Nu——平翅片和設(shè)置渦發(fā)生器翅片表面的平均努塞爾數(shù)；ξ0、ξ——平翅片和設(shè)置渦發(fā)生器的空氣側(cè)平均阻力系數(shù)。

平均阻力系數(shù)的計(jì)算公式為

式中：ΔP——散熱單元的進(jìn)出口壓降，Pa；de——散熱單元的當(dāng)量直徑，mm；L——散熱單元的長(zhǎng)度，mm。

綜合評(píng)價(jià)因子的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)是η是否大于1，若η＞1 表示綜合傳熱能力強(qiáng)于平翅片，若η＜1 則綜合傳熱能力弱于平翅片。圖8 為各設(shè)置弧形渦發(fā)生器的翅片在不同空氣入口速度下的綜合評(píng)價(jià)因子。各翅片的綜合評(píng)價(jià)因子在空氣入口速度2～8 m/s 時(shí)隨空氣入口速度的增大而增大，其中弧形渦發(fā)生器2#的綜合評(píng)價(jià)因子最高，峰值達(dá)到1.07。隨著空氣入口速度的繼續(xù)增加，各翅片的綜合評(píng)價(jià)因子降低，但均大于1。比較結(jié)果為：弧形渦發(fā)生器2#＞弧形渦發(fā)生器3#＞弧形渦發(fā)生器1#。這說明弧形渦發(fā)生器的設(shè)置確實(shí)在實(shí)際工程中提高了綜合傳熱能力，且相比于弧形渦發(fā)生器3#，弧形渦發(fā)生器2#在保證相似的傳熱能力的情況下壓降更小，故其綜合性能最好。

圖8 弧形渦發(fā)生器1#、2#和3#的綜合評(píng)價(jià)因子對(duì)比 Fig.8 Comparison of comprehensive evaluation factors of arc vortex generator 1#,2# and 3#

3 結(jié)論

散熱器的翅片結(jié)構(gòu)能對(duì)散熱器的散熱性能產(chǎn)生重要影響，通過數(shù)值研究平翅片、弧形渦發(fā)生器1#、2#、3#這4 種結(jié)構(gòu)的翅片，得到以下結(jié)論：

（1）相較于平翅片，弧形渦發(fā)生器1#、2#、3#通過對(duì)空氣流場(chǎng)的影響，均提高了其傳熱效率。同時(shí)，壓降不可避免地增大；（2）通過設(shè)置渦發(fā)生器的方式確實(shí)提升了翅片的綜合散熱能力，但不與空氣速度成線性關(guān)系，在風(fēng)速8 m/s 時(shí)達(dá)到各翅片綜合評(píng)價(jià)因子的峰值；（3）通過數(shù)值研究驗(yàn)證了弧形渦發(fā)生器的設(shè)置對(duì)傳熱能力的增強(qiáng)，弧形渦發(fā)生器與收腰管之間的相對(duì)位置還應(yīng)該通過數(shù)學(xué)方式設(shè)置更為詳細(xì)的梯度，并使用綜合評(píng)價(jià)因子研究最佳的相對(duì)位置；（4）雖然通過數(shù)值模擬對(duì)弧形渦發(fā)生器的傳熱性能進(jìn)行了定性分析，但缺少實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比，還應(yīng)進(jìn)行相應(yīng)的風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)進(jìn)一步論證。