车用翼型热管散热器参数化分析与模型研究*

2021-10-11王志涛刘佳鑫龙海洋李耀刚

机械工程与自动化 2021年5期

王志涛，王栋，刘佳鑫,3，龙海洋，李耀刚，张硕

(1.华北理工大学机械工程学院，河北唐山 063210；2.唐山圆方机械设备有限公司，河北唐山 064000；3.华中科技大学能源与动力学院，湖北武汉 430074)

0 引言

随着工程车辆的广泛应用，车辆的工作负荷也越来越大，对散热系统进行分析研究，以保证车辆有良好的散热，对于车辆安全可靠运行有着重要作用。

国内学者秦四成等[1]对工程车辆机罩进行了改进，从而提高了散热器模块的性能；黄晓明等[2]通过不断改变翅片参数，对自然对流情况下的散热器进行仿真分析，提出了翅片优化原则；赵骆伟[3]利用整车的散热数据对散热器组进行了改进研究；刘佳鑫等[4]对散热器进行了多方面的研究；董军启等[5]对板翅开窗翅片、平直翅片和百叶窗翅片的散热性能和阻力性能进行了分析；肖宝兰等[6]分析了散热器各参数对其散热和流动性能影响的大小；刘晓[7]通过仿真证明相同尺寸下的管带式散热器性能高于管片式散热器。国外学者在提高散热器性能方面做得研究相对广泛，Ahmed S A等[8]利用TiO2水纳米流体增强散热器的散热性能；Vaelikangas T等[9]通过添加涡发生器达到增强散热器整体性能的目的。

本文针对国内某型号工程车辆，利用CFD(Computational Fluid Dynamics)对其不同热管和翅片布置下的散热器单元进行仿真分析，并对仿真与实验数据进行对比分析，从而为翼型散热器进一步研究提供一定的理论支持。

1 散热器仿真模型

1.1 散热器单元体模型

在已有研究的基础上，根据厂商提供的结构参数，利用UG NX 8.0建立某工程车辆的管片式散热器模型。

散热器主要由进水室、出水室和芯体这三部分组成，芯体为管式散热器的主要结构。管片式散热器芯体模型如图1所示，芯体由翅片和热管组成，芯体的具体结构参数如表1所示。

图1 管片式散热器芯体模型

表1 散热器芯体结构参数

1.2 CFD网格划分以及边界设置

利用ANSYS进行网格划分，此处采用混合网格对模型进行网格划分；同时，在边界层起始位置将结构性网格按比例缩放，直至覆盖整个翅片，翅片网格划分如图2所示，网格划分数量约为200万。

图2 翅片网格划分

为了便于研究，将热管侧边界设置为恒温，为了得到稳定的气流，将单元体前后分别延长，翅片单元体边界设置如图3所示。

图3 翅片单元体边界设置

1.3 试验验证

在Fluent中进行流体动力学仿真分析，为了验证模型的准确性，在出、入口截面处布置温度以及风速传感器，将所得数据换算成换热系数与压力损失。图4、图5分别为压力损失与换热系数实验数据和仿真结果的对比，从图中可以看出二者拟合较好，因此可知该模型是准确的。

图4 压力损失对比图5 空气侧换热系数对比

2 翼型热管散热器参数对性能的影响

2.1 翅片结构参数对散热器换热特性影响分析

2.1.1 叉排与顺排对散热器换热特性的影响分析

叉排是指前排两热管间隔的中央为后排热管的位置(如图1所示)，前后两排热管数差1；顺排是指两排热管位置前后对齐，前后两排热管数相等。对叉排与顺排的散热器芯体模型进行仿真分析，结果如图6所示。从图6可以看出，当气体流速达到12 m/s时，叉排散热器的换热系数高出顺排散热器的换热系数22.4%。究其原因主要是因为叉排散热时，热管在两侧交替持续散热，换热效率高。