基于CFD的水冷板熱力性能仿真研究

王一川，潘 登，劉奕成

(華北理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，河北 唐山 063009)

0 引言

近年來,全球石化能源短缺、環(huán)境污染等問題日益嚴(yán)重,全球各國對環(huán)境保護(hù)和能源節(jié)約越發(fā)重視,社會各行業(yè)對此投入了相較以往更多的關(guān)注和相關(guān)方面的研究實踐。我國是建設(shè)大國和汽車大國,各類設(shè)施建設(shè)所需的工程車輛數(shù)量龐大的同時民用汽車的數(shù)量也在不斷增加。為了緩解當(dāng)下日益嚴(yán)重的環(huán)境污染和能源短缺的問題,政府開始提倡新能源汽車的使用,因而新能源汽車在近年來在數(shù)量上快速增加,在技術(shù)上也取得了較大進(jìn)步。相較于民用汽車,工程車輛的能源消耗大、環(huán)境污染嚴(yán)重。在此背景下,我國已有企業(yè)著手于將工程車輛改造成新能源機(jī)型,但目前仍處于探索階段,且存在較多問題亟待解決。數(shù)值計算法發(fā)展到現(xiàn)在已經(jīng)很成熟了,通過對散熱器進(jìn)行數(shù)值計算[1],能更加直觀地了解到散熱器內(nèi)部流體溫度和速度的分布情況,便于分析散熱器結(jié)構(gòu)布置的合理性[2],減少試驗的工作量。另外,數(shù)值計算法具有較強(qiáng)的可視化能力,研究者可以清晰地觀察到散熱器內(nèi)部正在發(fā)生的現(xiàn)象[3],并且變量控制和設(shè)置十分便捷,省去了試驗的繁瑣程序,在模型優(yōu)化問題中能快速得到優(yōu)化結(jié)果[4]。本文針對新能源工程車輛車用水冷板的散熱性能進(jìn)行分析與研究。

1 水冷板模型建立及前處理

1.1 3D簡化模型

水冷板結(jié)構(gòu)參數(shù)如表1所示。

表1 水冷板結(jié)構(gòu)參數(shù)

按照表1中水冷板的結(jié)構(gòu)參數(shù),在NX UG 11.0中建立其3D模型,如圖1所示。為了在提升網(wǎng)格質(zhì)量的同時不影響仿真的精確性,對其模型進(jìn)行簡化,對初始模型的倒角部分、表面安裝孔和墊圈卡槽進(jìn)行填充;將水冷板內(nèi)部的減重區(qū)域簡化為更為規(guī)則的形狀。

圖1 水冷板3D模型

1.2 網(wǎng)格劃分

使用Fluent Meshing生成整個計算模型的網(wǎng)格。網(wǎng)格劃分種類大致可分為結(jié)構(gòu)性網(wǎng)格和非結(jié)構(gòu)性網(wǎng)格兩種。結(jié)構(gòu)性網(wǎng)格主要包括四邊形和六面體,其特點是計算耗時較少,非結(jié)構(gòu)性網(wǎng)格主要為多面體,多用于結(jié)構(gòu)復(fù)雜的模型。水冷板整體結(jié)構(gòu)在經(jīng)過簡化之后較為簡單,整體使用非結(jié)構(gòu)化多面體網(wǎng)格劃分,多面體網(wǎng)格對于流道彎曲部分能有效地提高網(wǎng)格質(zhì)量,并且多面體網(wǎng)格的插值面更多、計算收斂速度更快。為了提高仿真精度,在流道近壁面處建立5層邊界層網(wǎng)格。邊界層的初始值設(shè)置為0.005,增長速率設(shè)置為1.1。不同區(qū)域的網(wǎng)格按不同的尺寸劃分,以節(jié)省計算資源。計算域的部分網(wǎng)格示意圖如圖2所示。內(nèi)置的網(wǎng)格質(zhì)量報告顯示,所有網(wǎng)格的平均扭曲度為0.46,通常模型網(wǎng)格失真度在0.8以下就可以滿足數(shù)值計算要求,因此劃分的網(wǎng)格可以用于進(jìn)一步的數(shù)值分析。考慮到網(wǎng)格數(shù)量對計算結(jié)果的影響,有必要進(jìn)行網(wǎng)格獨立性檢驗。在進(jìn)口流速為0.5 m/s 的條件下進(jìn)行網(wǎng)格獨立性試驗。采用7個不同網(wǎng)格數(shù)量的網(wǎng)格系統(tǒng)進(jìn)行網(wǎng)格獨立性測試,發(fā)現(xiàn)在423萬～586萬的網(wǎng)格數(shù)量范圍內(nèi)仿真結(jié)果的誤差較小。因此,本文中的網(wǎng)格數(shù)量限制在400萬～500萬范圍內(nèi),以確保在較低的成本下得到較高的模擬精度。

圖2 計算域局部網(wǎng)格示意圖

1.3 邊界條件

邊界條件的設(shè)定是為了對水冷板內(nèi)部的流體運(yùn)動進(jìn)行相應(yīng)的引導(dǎo)與限制。水冷板簡化模型的邊界條件設(shè)置如圖3所示,每個邊界條件的劃分類型及依據(jù)如下:將冷卻液入口設(shè)定為速度入口;由于壓力出口邊界具有更好的收斂速度,因此將冷卻液出口設(shè)定為壓力出口;將整體流道和空氣區(qū)域設(shè)置為流體域,流道內(nèi)流體為冷卻液;水冷板框架結(jié)構(gòu)設(shè)定為固體域,其材料為鋁。流體入口速度設(shè)置為0.5 m/s,入口溫度設(shè)置為18 ℃;同時,出口被設(shè)置為壓力出口。所有墻體均設(shè)置為固定無滑移和0.5 μm的粗糙度,流道表面設(shè)置為耦合邊界,其他壁面設(shè)置為熱流邊界。重力和能量方程也被應(yīng)用。其他相關(guān)的仿真參數(shù)設(shè)置見表2。

圖3 水冷板簡化模型邊界條件設(shè)置

表2 其他仿真參數(shù)設(shè)置

2 數(shù)值分析結(jié)果

2.1 仿真結(jié)果分析

CFD仿真在Fluent 15.0中進(jìn)行,應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型和SIMPLE隱式算法實現(xiàn)速度和壓力的耦合。此外,為了在保證計算結(jié)果穩(wěn)定性的前提下提升收斂速度,需確保松弛因子在合理的范圍內(nèi),本文中將壓力、密度、動量、湍動能、湍流耗散率、湍流黏度和能量的松弛因子分別設(shè)置為0.3 Pa、1 kg/m3、0.7 kg·m/s、0.8 m2/s2、0.8 m2/s3、1 kg/(m·s)和1 J。當(dāng)能量殘差和其他方程的殘差分別在一定數(shù)量步長內(nèi)連續(xù)小于1 × 10-9和1 × 10-5時則認(rèn)為該迭代是收斂的。經(jīng)歷大約20 000步迭代后,停止計算并輸出計算結(jié)果,在后處理軟件Tecplot中進(jìn)行仿真結(jié)果的調(diào)取與分析。

流道內(nèi)流體的溫度分布云圖如圖4(a)所示,可以看出,隨著流體不斷流入流道內(nèi),流體溫度不斷升高,換熱量不斷增加。由于每個小通道內(nèi)換熱柱結(jié)構(gòu)的不同,造成局部熱流密度的差異,進(jìn)而導(dǎo)致了流體溫度的不同,越靠近散熱柱,流體溫度越高;不同小通道內(nèi)流體溫度差異可達(dá)10 ℃,流體出口溫度為40.13 ℃,升高了22.13 ℃,證實了流道內(nèi)換熱的產(chǎn)生。

圖4 流道內(nèi)流體的溫度和速度分布云圖

流道內(nèi)流體的速度分布云圖如圖4(b)所示,入口速度為0.5 m/s,流道內(nèi)流體的最大流速為0.83 m/s,最小流速為0.05 m/s。造成這種現(xiàn)象的原因可能是在進(jìn)口處產(chǎn)生渦流,導(dǎo)致在流體經(jīng)過換熱柱后各個流道流量分配不均勻,進(jìn)而導(dǎo)致各個流道內(nèi)流體的流速發(fā)生顯著變化。同時,流體流速的不同也造成了各處換熱速率的不同,進(jìn)而影響了整體換熱性能。流道內(nèi)流體的平均流速為0.16 m/s。

2.2 散熱量和壓力損失計算

在水冷板的性能研究中,建立其性能的評價因子是必不可少的。本文中用總散熱量和總壓力損失來評價水冷板的性能。總散熱量和總壓力損失分別表征了流道內(nèi)流體的散熱和阻力特性,總散熱量越大,換熱性能越好,總壓力損失越小,流動阻力越小。更高的散熱量和更低的壓力損失意味著更好的綜合性能。

選用公式(1)[5]計算水冷板的總散熱量Q:

Q=cpm(t2-t1).

(1)

且

m=A×v.

(2)

其中:cp為流體的定壓比熱容;m為入口流體的質(zhì)量流量;t1為入口溫度;t2為出口溫度;A為進(jìn)口面積;v為進(jìn)口流速。

利用公式(3)計算總壓力損失Δp:

Δp=p2-p1.

(3)

其中:p1為入口壓力;p2為出口壓力。

通過仿真可知,cp=3 677.7 J/(kg·℃),t1=18 ℃,t2=40.13 ℃,A=0.12 m2,v=0.5 m/s,p1=0 Pa,p2=394.84 Pa,計算可得水冷板流道內(nèi)的總換熱量為4 883.25 J,總壓力損失為394.84 Pa,均在可接受的范圍內(nèi),達(dá)到了預(yù)期的工作性能要求。

3 結(jié)論

本文針對新能源工程車輛的水冷板,利用CFD仿真技術(shù)在特定工況下進(jìn)行性能研究,采用數(shù)值分析法對水冷板在特定工況下的散熱性能進(jìn)行計算評價,最終得到以下結(jié)論:

(1) 水冷板流道內(nèi)最大流速為0.83 m/s,最低流速為0.05 m/s,平均流速為0.16 m/s。對比高流速區(qū)域和低流速區(qū)域,其換熱效率相差較大。

(2) 水冷板進(jìn)、出口處形成了較為明顯的渦流,且在經(jīng)過換熱柱后流體在流道內(nèi)部分配不均造成板內(nèi)各流道流速差異較大,影響水冷板的整體換熱性能。

(3) 利用CFD仿真結(jié)果進(jìn)行計算,水冷板的總換熱量為4 883.25 J,總壓力損失為394.84 Pa,能夠滿足高效工作下的換熱需求。