新時期基于應(yīng)力原理的新型汽車散熱器設(shè)計研究

李高余

（南寧八菱科技股份有限公司，廣西 南寧 530007）

0 引言

汽車散熱器是汽車安全和穩(wěn)健性駕駛的重要組成部件，是汽車水冷發(fā)動機(jī)冷卻系統(tǒng)的重要組成。汽車散熱器的存在，可以保證汽車發(fā)動機(jī)保持非過熱現(xiàn)象，使得汽車發(fā)動機(jī)可以在安全和舒適的溫度下，保證正常且安全的行駛工作。汽車行駛過程中發(fā)動機(jī)會產(chǎn)生振動，散熱器扁管會因為發(fā)動機(jī)振動產(chǎn)生應(yīng)力作用。如果流體流速不同很容易導(dǎo)致應(yīng)力集中現(xiàn)象，使得散熱器扁管出現(xiàn)爆裂或者裂紋現(xiàn)象。基于應(yīng)力原理的新型汽車散熱器設(shè)計理念，可以對散熱器進(jìn)行合理的設(shè)計和改造，保證汽車散熱器合理化散熱效果，保證汽車駕駛的安全性和可靠性運行。

1 汽車散熱器應(yīng)力原理分析

汽車在正常的駕駛過程中，往往會由于運動產(chǎn)生大量的熱量。而汽車駕駛熱量需要及時進(jìn)行傳導(dǎo)和散熱，否則將會對汽車各部件正常運行產(chǎn)生直接影響。汽車發(fā)動機(jī)熱量的散除，一般都是利用汽車散熱器進(jìn)行熱量散發(fā)，這樣才可以保證發(fā)動機(jī)溫度的平穩(wěn)性，保證發(fā)動機(jī)正常行駛和安全運轉(zhuǎn)。汽車散熱器運行中，往往需要借助扁管作用，使得冷卻液可以緊跟散熱器進(jìn)行可持續(xù)性循環(huán)，將冷卻液貫穿至各個部件當(dāng)中，達(dá)到溫度降低的目的。汽車散熱器外部的風(fēng)扇，也可以實現(xiàn)對發(fā)動機(jī)高熱量的對流換熱，直接將高溫?zé)崃繋ё?，同樣也可以實現(xiàn)汽車發(fā)動機(jī)降溫的目的，保證汽車在行駛過程中保持安全和穩(wěn)定狀態(tài)[1]。

2 汽車散熱器散熱流程及應(yīng)力原因分析

2.1 汽車散熱器散熱流程

目前來看我國國內(nèi)汽車生產(chǎn)制造商，在汽車散熱器構(gòu)件設(shè)計上，往往是趨于統(tǒng)一的。國內(nèi)市面上的汽車散熱器組件，往往是由如下核心組件組成的：上水室、下水室、防凍液出入口、散熱帶、扁管等。其中，扁管往往是放置在上下室的中間位置，而扁管中間則會直接穿插散熱帶，使得各個構(gòu)件之間相互聯(lián)系和相互影響。汽車在正常的駕駛過程中，發(fā)動機(jī)往往會產(chǎn)生大量的熱量，防凍液受到高溫影響，會直接從防凍液入口，直接轉(zhuǎn)移到上水室。高溫化的防凍液在經(jīng)過散熱器扁管的時候，扁管散熱帶會直接發(fā)揮作用，將溫度上升的防凍液進(jìn)行二次冷卻恢復(fù)。冷卻后的防凍液會直接流入下水室，然后再回到汽車發(fā)動機(jī)系統(tǒng)中[2]。以此周而復(fù)始，保證防凍液始終發(fā)揮好溫度冷卻作用，保證汽車發(fā)動機(jī)始終保持在適當(dāng)溫度狀態(tài)，促使汽車發(fā)動機(jī)進(jìn)行穩(wěn)定和安全工作。然而從各地區(qū)汽車生產(chǎn)制造商數(shù)據(jù)反饋來看，汽車散熱器扁管在運行過程中，往往會出現(xiàn)裂紋或爆裂，尤其在高溫天氣當(dāng)中，散熱器扁管發(fā)生散熱器扁管概率更高。散熱器扁管爆裂會對汽車散熱器散熱功效發(fā)揮，對汽車發(fā)動機(jī)正常運行產(chǎn)生消極影響。

2.2 汽車散熱器應(yīng)力原因分析

汽車散熱器應(yīng)力問題的產(chǎn)生，其實與汽車散熱器組件和結(jié)構(gòu)緊密相關(guān)。汽車散熱器應(yīng)力集中問題的產(chǎn)生，從根源上講，主要有兩種原因：①汽車散熱器扁管擁有彎面和平面，汽車防凍液進(jìn)入管道的時候，液體的分布不會是均勻的，而且液體的流速也不會均勻的。如果防凍液進(jìn)入入水口時，流速過快或者流量過大的話，則很容易出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象發(fā)生。②在防凍液流入進(jìn)入上水室時，或者防凍液從下水室流出時，防凍液所遇到的截面也會存在著較大的差異。在較大截面差異作用下，也會導(dǎo)致應(yīng)力集中現(xiàn)象的發(fā)生[3]。通過相關(guān)數(shù)據(jù)調(diào)查及實驗?zāi)M，可以看出散熱器出入水口中，所承受的集中應(yīng)力，要比其他位置和部件高出3～4 倍左右。換句話說，散熱器出入水口兩個位置，散熱器扁管需要承受住更強(qiáng)集中應(yīng)力。在高強(qiáng)度集中應(yīng)力作用下，汽車散熱器扁管往往會出現(xiàn)裂紋或者爆裂現(xiàn)象，進(jìn)而影響到汽車散熱器安全性和可靠性，影響到汽車發(fā)動機(jī)正常運轉(zhuǎn)。

3 基于應(yīng)力原理的汽車散熱器設(shè)計原則

對于汽車駕駛運行而言，其實汽車很多設(shè)備零部件，往往是在循環(huán)荷載力作用下進(jìn)行的。汽車循環(huán)荷載力的應(yīng)力，往往要比設(shè)備材料的屈服強(qiáng)度要差一些。一旦汽車設(shè)備儀器在循環(huán)載力下出現(xiàn)斷裂，其實就是疲勞運作。汽車零部件在長期超負(fù)荷作用下，很容易出現(xiàn)失效問題，隨著時間的推移反而會出現(xiàn)開裂或者裂紋問題。對于新型汽車散熱器設(shè)備而言亦是如此。為了進(jìn)一步解決汽車散熱器零部件疲勞問題，在進(jìn)行汽車散熱器設(shè)計時，往往需要堅持3 個基本的原則和準(zhǔn)則：①汽車散熱器設(shè)計原則，即要堅持不限壽命的設(shè)計原則。在進(jìn)行汽車散熱器零件抗疲勞設(shè)計時，要始終堅持不限壽命的設(shè)計原則，要求散熱器零部件設(shè)計應(yīng)力，要比其疲勞極限值低一些，這樣可以極大程度上延長汽車散熱器的使用壽命[4]。②汽車散熱器設(shè)計原則，即安全壽命的設(shè)計原則。安全壽命的設(shè)計原則，具體指的是，汽車散熱器進(jìn)行抗疲勞設(shè)計時，要保證散熱器零部件，在規(guī)定的年限內(nèi)進(jìn)行安全使用，保證散熱器零部件工作應(yīng)力，超過其疲勞極限值，同時也可以保證散熱器及其零部件，保持質(zhì)量減輕的狀態(tài)。③汽車散熱器設(shè)計原則，即失效的安全設(shè)計原則。汽車散熱器超負(fù)荷運作過程中，散熱器扁管往往會出現(xiàn)疲勞裂紋，需要定期對散熱器扁管進(jìn)行檢查。汽車散熱器零部件裂紋出現(xiàn)，一般情況下，不會導(dǎo)致整個散熱器結(jié)構(gòu)的損壞。但是如果不定期或者及時檢修和檢修，很容易造成散熱器扁管裂紋的進(jìn)一步擴(kuò)展。因此，現(xiàn)代化汽車散熱器設(shè)計時，要進(jìn)行失效安全性設(shè)計，從結(jié)構(gòu)上處理保證散熱器荷載力的安全化轉(zhuǎn)移[5]。

4 基于應(yīng)力原理的新型汽車散熱器設(shè)計思路

4.1 新型汽車散熱器整流罩設(shè)計

為進(jìn)一步提高汽車散熱器功效發(fā)揮，降低扁管所受應(yīng)力，實現(xiàn)散熱器扁管內(nèi)液體量均衡性，保證流體速度適宜化，可以在原有汽車散熱器上下水室位置，直接增加一個整流罩。整流罩的安裝位置主要是有兩處，一處是上水室位置，一處是下水室位置。對于上水室而言，可以將整流罩可以直接安裝在冷卻液入口與散熱器扁管芯體鏈接處。對于下水室而言，可以將整流罩安裝在冷卻液出口和散熱器扁管芯體之間，這樣的安裝位置處理方式，可以保證冷卻液在散熱器扁管中的均衡性流動，從而大大提高了汽車散熱器的散熱性能和效果[6]。與此同時，通過整流罩設(shè)備的安裝，還可以進(jìn)一步提高汽車散熱器的運行效率和運行強(qiáng)度，提高汽車散熱器的使用壽命。對于汽車散熱器設(shè)計工作而言，整流罩設(shè)計是關(guān)鍵性的部分。整流罩設(shè)計主要分為兩大部分，一個是上整流罩設(shè)計，另一個是下整流罩設(shè)計。對于上整流罩設(shè)計而言，要將整流孔按照入水口大小，直接圓孔設(shè)計類型。將上整流罩按照平面寬度方向，直接進(jìn)行等分六排圓孔設(shè)計。其中最小的圓孔直徑，可以設(shè)置為上整流罩寬度的1/18。而最大圓孔直徑，要設(shè)計為最小圓孔直徑的兩倍左右，使得最小圓孔和最大圓孔直徑，呈現(xiàn)出等差數(shù)列遞增模式[7]。整流型散熱器結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

圖1 整流型散熱器結(jié)構(gòu)

4.2 Fluent 數(shù)值模擬及相關(guān)優(yōu)化設(shè)計

在對汽車散熱器進(jìn)行新型設(shè)計時，要對散熱器進(jìn)行Fluent 數(shù)值模擬分析，根據(jù)數(shù)據(jù)信息分析結(jié)果，計算出散熱器相關(guān)問題產(chǎn)生的根結(jié)。例如，對于散熱器計算區(qū)域，要根據(jù)汽車散熱器內(nèi)部液體的流動范圍來進(jìn)行計算，進(jìn)而選擇合適的湍流模型進(jìn)行模擬實驗測算與操作。

4.2.1 數(shù)值模擬仿真設(shè)計

設(shè)計人員在傳統(tǒng)處理器操作當(dāng)中，往往需要對新型的散熱器模型進(jìn)行設(shè)計優(yōu)化。然而，在傳統(tǒng)的散熱器設(shè)備，很難實現(xiàn)對冷卻液流速和流量的合理化管控，尤其在汽車散熱器上水室和下水室出入的時候，對于冷卻液流速和流量的控制價，將會更加高難度控制。根據(jù)現(xiàn)代化新型汽車散熱器的設(shè)計需要，在進(jìn)行傳統(tǒng)處理器操作中，可以直接在處理器中加入整流罩模型，進(jìn)而繼續(xù)重新開始試驗。根據(jù)最新試驗結(jié)果和試驗數(shù)據(jù)信息對比，通過多次試驗操作模擬，得出最精準(zhǔn)的模擬化數(shù)據(jù)信息，進(jìn)而得到最為及時化和最為精準(zhǔn)化的數(shù)值信息。汽車散熱器湍流模型的設(shè)計，是一個非常復(fù)雜且細(xì)致的過程[8]。設(shè)計人員不僅要對汽車散熱器模型進(jìn)行提前繪制，而且還要借助處理器Gambit 進(jìn)行數(shù)值計算。與此同時，要將散熱器水室和扁管進(jìn)行分割。可以通過網(wǎng)格分割設(shè)計方法，對現(xiàn)有汽車散熱器網(wǎng)格質(zhì)量狀態(tài)進(jìn)行劃分。對于汽車散熱器出水口和進(jìn)水口的設(shè)計，也是根據(jù)網(wǎng)格設(shè)計方法應(yīng)用，通過讀入網(wǎng)格文件對網(wǎng)格數(shù)值進(jìn)行審查?？梢岳貌煌伾珌肀硎境龀鏊诤腿胨诓煌魉?，進(jìn)而觀察到汽車散熱器整個冷卻液速度變化。

4.2.2 數(shù)值模擬仿真結(jié)果

根據(jù)數(shù)值模擬仿真模擬實驗中得到的相關(guān)數(shù)值和信息，結(jié)合流體動力學(xué)基本原理，則可以直接測算出防凍液在汽車散熱器上下水室、散熱器扁管中的流動速度和流動效率。根據(jù)以往數(shù)值模擬仿真實驗經(jīng)驗，防凍液在不同的位置，其流動速度和流動量是不同的，而且不同位置和不同構(gòu)件之間，存在著較大的差異。例如，防凍液在上下水室位置流動速度較快，而在其他位置則流動速度較慢。通過數(shù)值模擬仿真實驗可以得出，在汽車散熱器中添加整流罩，具有很強(qiáng)的提速增效作用。尤其在汽車散熱器添加整流罩后，無論是散熱器防凍液流量還是流速，都得到了明顯的改善。而沒有增添汽車散熱器整流罩，則不管是在上水室還是下水室，防凍液的漩渦依然不明顯，而且漩渦對防凍液的流速產(chǎn)生直接性的影響[9]。

4.2.3 實際測試驗證分析

要想保證新型汽車散熱器散熱功效的有效發(fā)揮，單純的依靠Fluent 數(shù)值模擬實驗是完全不夠的，也需要在Fluent 數(shù)值模擬實驗結(jié)果基礎(chǔ)上，對汽車散熱器散熱效果進(jìn)行實際測試，從而得到相應(yīng)的散熱效果測試數(shù)據(jù)信息。實際測試驗證人員，可以將新型的汽車散熱器內(nèi)，直接加入整流罩，對汽車散熱器散熱效果進(jìn)行實際測試?？梢酝ㄟ^多次循環(huán)試驗測試，得出精準(zhǔn)的散熱效果試驗數(shù)據(jù)。并且將測試驗證數(shù)據(jù)信息，直接與Fluent 數(shù)值模擬實驗數(shù)據(jù)進(jìn)行對比，從而進(jìn)一步驗證出整流罩在汽車散熱器中的散熱效率提升效果。無論是利用Fluent 數(shù)值模擬實驗，還是利用實際測試驗證，其測試結(jié)果基本一致：即加入了整流罩以后的新型汽車散熱器，可以為新型汽車發(fā)動起進(jìn)行適宜化的降溫處理，而且還可以極大程度上防止汽車散熱器出現(xiàn)爆裂或者裂紋等問題的發(fā)生[10]。

5 結(jié)語

綜上所述，現(xiàn)代化汽車制造與設(shè)計的創(chuàng)新與發(fā)展，使得汽車發(fā)動機(jī)工作量處于超負(fù)荷狀態(tài)。新型汽車的出現(xiàn)，對于汽車散熱器的質(zhì)量和體積，有了更加嚴(yán)格和精細(xì)的要求。汽車散熱器設(shè)計，不僅要保證良好的散熱性能，而且還要保證散熱器結(jié)構(gòu)強(qiáng)度性和使用壽命延續(xù)性。現(xiàn)代化汽車的制造與設(shè)計，要在應(yīng)力原理基礎(chǔ)上，進(jìn)行新型汽車散熱器設(shè)計，保證散熱器防凍液流速均勻性，減少散熱器扁管爆裂概率，進(jìn)而大大提高現(xiàn)代化汽車散熱器的使用壽命延長和經(jīng)濟(jì)效益提升。