【摘要】为了提升汽车散热器的传热性能,利用FLUENT软件,对车用散热器常用类型散热管管内和管外流体的流动和传热情况进行了仿真模拟。研究了在同等流通面积和相同工况下,散热管的管型对温度场、速度场、性能参数、强化传热综合性能等的影响。结果表明:在同等工况下,收腰管在管内和管外与圆管、椭圆管和扁管相比具有更好的传热效果,同时也导致压降的增大,通过综合评价因子发现收腰管在管内和管外的综合性能都好于其它散热管型。其研究方法对今后新型散热管的设计,单个散热元件的研发都具有一定指导意义。
散热器；管型；收腰管；传热特性；数值分析
散热器作为汽车发动机最重要的零部件之一被广泛应用于汽车行业,由于汽车散热器的工作环境恶劣以及各类高科技产品在汽车上的应用,对汽车散热器传热性能提出了更高的要求。提高散热器的传热性能通常有两种最有效的途径:
(1)改进散热片设计;
(2)改进散热管设计。
散热管的结构形状对散热器的换热性能有着显著影响,通过改变散热管的管型结构,可减小管的当量直径,提高管内换热效率,提高管内流通面积,降低阻力,从而使得汽车散热器的换热性能得以提升。
散热管研究方面,运用CFD对汽车散热器几何结构对散热系能影响进行了定性分析,对圆管和椭圆管的管型进行了比较分析,从温度场分布显示,椭圆管的换热性能都要比圆管好。对椭圆管和圆管的流动与传热规律做了三维数值研究,结果表明两者在当量直径、翅片厚度、表面积相同的情况下,表面换热系数相差不大,但相同翅片间距下,圆管的流动阻力高于椭圆管。
以水为工质,对圆管和三种不同规格的扁管做了传热和流阻实验,试验结果表明,同等换热条件下,扁管的管内换热系数大于圆管,说明扁管具有更好的强化传热效果,但同时压降也大于圆管,换热系数和压降随扁管的压扁程度的增大而增大，表明在选择扁管的压扁程度应该同时考虑其换热系数和压降所带来的影响。
研究了管型的截面形状对换热性能的影响研究结果表明,椭圆管的换热性能优于普通的圆管,且随着椭圆管圆度的降低其换热器的热力学性能越好。通过改变散热管的截面形状提出收腰型散热管,利用EUENT软件对扁管和收腰管的传热特性和阻力特性进行了仿真模拟,结果表明,所提出的收腰管型与扁管相比具有更高的换热系数。
通过实验法对散热器的散热性能进行优化研究会花费大量人力、物力和财力,且完成周期长、成本高。此外,大多数研究者对散热管管型的传热性能研究分析只针对散热管的单一侧,并且所研究的管型种类单一,对新型收腰管的研究也较少。
因此采用数值模拟对汽车散热器的散热性能进行研究,考虑到数值模拟的准确性,首先建立散热管管内和管外的数值计算模型,对网格数量和质量进行无关性检验。然后对圆管、椭圆管、扁管和收腰管4种散热管型进行仿真,从温度场、速度场、性能参数等比较分析,研究散热管型对管内和管外的流体流动及传热特性影响。最后通过综合评价因子比较不同散热管型的综合传热性能,其结果对设计出更好的散热管具有参考意义。
数值建模
▌几何模型的建立
根据汽车散热器常用的散热管型,控制冷却液入口的横截面积一致,对四种不同散热管管内、管外以及散热管进行了三维数值建模。4种不同散热管的模型单元尺寸,如表1所示。4种不同散热管型横截面示意图,如图1所示。
▌管内外计算模型及边界条件
在不考虑散热器翅片复杂结构情况下,以水作为冷却液,定性分析散热管管内和管外的流动换热情况,假设水和空气为不可压缩流体,物性参数为 constant,流动为定常流动,忽略重力的影响。管内和管外数值计算区域(以收腰管为例),如图2所示。
具体边界条件设定如下:
人口边界条件:管内和管外人口均设定为速度人口边界条件,管内水的温度设为353K,管外空气的温度设为293K,每次模拟只改变水流和风的人口速度,水流人口速度为(1~3)m/s五个工况点,空气人口风速为(2~12)m/s六个工况点;
出口边界条件:出口条件均设定为压力出口边界条件,为一个标准大气压;
固体壁面边界条件:管内壁设定为耦合面,其余面设定为壁面边界条件。
▌控制方程和网格无关性检验
（1） 控制方程
模型的计算区域分别为管内水和管外空气的流体区域以及散热管的固体区域，计算中采用到三个基本控制方程，分别为质量守恒方程、动量守恒方程和能量守恒方程。
（2） 网格质量和无关性检验
流体仿真计算中网格质量直接影响结果的可靠性和准确性，查阅大量对流体研究的文献发现，缺少对网格无关性检验的详细数据说明。以收腰管管内的数值模拟为例，观察不同网格数量对管内流体性能参数的影响。
网格主要采用六面体网格，在网格划分的过程中，对局部的网格进行加密，所有的仿真模型网格数量均大于一百万，网格的质量评价因子Skewness＜0.58，如图3（a）所示。
（a）管内模拟计算网格质量示意图图片
（b）网格无关性检验
图3 网格质量及网格无关性检验
网格独立性检验将网格数从20000加密至1900000，发现网格加密达到一定程度后，继续增加网格的数量，仿真结果几乎无变化，验证了网格的无关性，如图3（b）所示。其中，将网格数量逐渐增加到500000甚至更高时，水侧出口温度的变化趋势趋于稳定，保持在301K左右；进出口压降和换热系数随着网格的加密数值有较小幅度的增加，直到网格数达到400000时就保持在28Pa和84W/m2·K左右，所变化范围在允许的误差范围内；努赛尔数变化趋势明显，随着网格数的增加，呈下降趋势，也是在网格达到一定密度后保持稳定，努塞尔数的值稳定在25左右。
仿真结果分析及验证
▌散热管型对管内流动换热的影响
通过对不同管型管内流动换热的数值模拟,得到的4种管型在不同水流速度下管内进出口温差、压降、换热系数及综合评价因子的变化情况,如图 4所示。
不同管型的进出口温差随水流速度的增加是下降趋势,同水流速度情况下,由于收腰管在4种管型中当量直径最小,对管内流体造成了较强的扰动作用,使得冷却液在低速流动过程中与管壁区域的换热更加充分,进而导致收腰管的进出口温差始终高于圆管、椭圆管和扁管,从而说明4种管型中收腰管的换热效能最好,如图4(a)所示。
压降是评价汽车散热器综合换热能力的重要因素,水流速度在(1~3)m/s时4种管型进出口压降的变化情况,如图4(b)所示结果显示,不同管型的管内进出口压降随着水流速度的增加而增大,且增幅越来越大。
收腰管具有独特的结构内凹形状,使得管内流体的流动阻力增加,进而导致收腰管管内进出口压降高于其他三种管型。
4种散热管的管内换热系数随水流速度的增大而增大,流速相同下,收腰管的换热系数最大,如图4(c)所示。数值模拟计算结果显示,收腰管的最大管内换热系数分别为圆管、椭圆管和扁管的1.86倍、1.52倍和1.3倍,进而说明散热管的管型对散热器的换热性能有很大影响,收腰管的收腰结构强化了传热,在四种管型中强化换热效果最好。
从前文分析中可以发现,收腰管的进出口温差以及管内换热系数都高于其他管型,这有利于提高散热器的换热能力,但同时压降也高于其他管型,这将浪费发动机的较大功率,对汽车散热器的综合换热性能不利,为了评价散热管型的综合换热性能,利用综合评价因子比较不同管型对管内流体强化传热的影响。
其综合评价因子的计算式子如下。
由综合评价因子计算式可知,倘若n>1,该管型就比圆管的综合换热性能好,倘若<1,则该管型就比圆管的综合换热性能差。椭圆管、扁管和收腰管的综合评价因子均大于1,如图4(d)所示。说明这3种管型的综合换热性能都好于圆管,其中可以看出收腰管的综合换热效果明显好于其他管型。
▌散热管型对管外流动换热的影响
（1）散热管型对温度场的影响
从散热管型对管内的流动换热分析可知,收腰管的结构对于强化传热具有很好的效果,但是散热器在工作过程中,流动换热主要集中在空气侧,因此,对散热管型管外的流动换热研究是必不可少的。
在对管外的仿真模拟中,同一等值面上的温度云图,如图 5所示。可以发现,收腰管的尾迹线高温部分较于其他管型较长说明空气能更多的带走收腰型散热管管外的热量,主要原因在于收腰管的内凹结构,加强了对来流空气的扰动,使得管壁外周的温度上升区域明显大于其他管型。仿真计算结果得出,当进口空气温度为293k时,空气流场出口的平均表面温度收腰管为304.38k,圆管、椭圆管和扁管分别为299.63k、300.74k和303.26k。收腰管的出口风温在4种管型中最高,原因是在散热管横截面相等下,收腰管的外沿周长大于圆管、椭圆管和扁管,相同工况下收腰管管外的散热面积最大，带走的热量最多，圆管的周长最小，带走的热量最少。
（2）散热管型对速度场的影响
风速为 2m/s时,同一等值面上不同散热管管外的速度矢量图,如图6所示。可以看出,当空气流经散热管,因为受到散热管阻挡作用,速度明显增大,散热管使得空气的流动区域被减小,在入口处附近空气流速均有明显的增大,由于管型结构的不同对来流空气的阻碍作用不同。
收腰管由于管壁内凹,改变了空气原本的平行流动状态,使其流动方向发生改变,并使空气流速降低,出现了局部的紊流区域,从而空气在管壁周围驻留的时间更长,强化了散热管管外的换热能力,从而换热效果在4种散热管型中最佳。
（3）管型对管外流动特性的影响
由于圆管的管型结构对来流空气的阻碍较为强烈,使其散热管管外的压降远远高于其他管型,压降越高,散热器的换热性能越低,如图7(a)所示。另外,可以发现,收腰管由于奇异的管型结构压降高于椭圆管和扁管,但是当风速为(2~6)m/s时相差不大。
努塞尔数可直接表征换热面换热能力的高低01,4种散热管的努塞尔数都随进口风速的增加呈上升趋势,增长幅度逐渐减小,如图7(b)所示。其中,收腰管的努塞尔数较于其他管型在同等风速下最高。计算结果表明,当风速为2m/s时,收腰管的努塞尔数高出圆管、椭圆管、扁管分别为30.6%、28.5%、20.7%。原因是收腰型散热管由于其特殊的收腰结构,加强了对与其流场的扰动,并且收腰管的散热面积比圆管、椭圆管和扁管的都要大,进而导致了收腰管的努塞尔数在4种管型中最高,从而表明收腰管的表面换热效果为4种管型中最佳。
椭圆管、扁管和收腰管的强化传热综合评价因子都大于1,如图7(c)所示。表明其传热性能都高于圆管,其中收腰型散热管的综合评价因子最高,说明其换热效果最好,原因是在同等通流截面积下,收腰管当量直径在四种管型中最小,湿周长最长,空气侧散热的表面积最大,对管外空气的扰动程度高。从而表明,在同等工况下，改变散热管的横截面形状，对提高其综合换热性能是可行的。
▌ 仿真结果验证
由于同时对多种管型以及同时针对管内外的研究较少，因而对仿真结果的验证采取对多篇参考文献的仿真结果进行对比验证的方式，从而说明仿真结果的真实性和可靠性。管内方面：圆管和椭圆管管内进出口温差的仿真结果与文献中结果较为吻合，进出口温差在3K左右，验证了仿真结果的真实性和可靠性，同时也更加说明了椭圆管的强化传热效果要好于普通圆管。管内扁管的换热系数平均为圆管的1.28倍，仿真结果在文献中结果的变化范围内，并且管内扁管与圆管的压降与该文献中仿真结果较为吻合，验证了仿真模拟的真实性和可靠性。扁管和圆管管内的仿真结果同时与文献中结果较为吻合，在管内进出口温差、换热系数、压降等方面变化趋势均一致，从而验证了仿真结果的可靠性。在管外方面：仿真结果从速度场、温度场、换热系数、压降以及综合评价因子方面的仿真结果显示，与文献中呈现结果一致，说明收腰管与扁管比较综合换热能力更好，同时也验证了数值模拟的准确性。
综上所述，本次仿真模拟的结果具有真实性和可靠性，并且参照相关参考文献可得出一与仿真结果一致的结论为，散热管型的强化换热能力：收腰管>扁管>椭圆管>圆管。
结论
根据管型结构是影响汽车散热器换热系能的因素，对比分析圆管、椭圆管、扁管和收腰管四种不同管型在相同工况下管内和管外的流动换热性能，并运用综合评价因子对其评价。结果表明：
（1）在散热管的管内和管外，收腰管相较于圆管、椭圆管和扁管的换热性能都有较大的提升。
（2）收腰管的异型结构使得冷却液来流流向发生较大改变，在换热性能提高的同时，也带来了压降的上升。
（3）收腰管的管内管外综合评价因子在四种管型中均为最高，综合换热性能优于其他三种管型。
（4）改变散热管的管型结构，对于散热器的综合传热性能都由较大的提高，验证了收腰管结构设计对强化传热的有效性和可行性。
