車用翼型熱管散熱器參數(shù)化分析與模型研究

熱設(shè)計 2021-12-20

0引言

隨著工程車輛的廣泛應(yīng)用,車輛的工作負(fù)荷也越來越大,對散熱系統(tǒng)進(jìn)行分析研究,以保證車輛有良好的散熱,對于車輛安全可靠運(yùn)行有著重要作用?

國內(nèi)學(xué)者秦四成等對工程車輛機(jī)罩進(jìn)行了改進(jìn),從而提高了散熱器模塊的性能;黃曉明等通過不斷改變翅片參數(shù),對自然對流情況下的散熱器進(jìn)行仿真分析,提出了翅片優(yōu)化原則;趙駱偉利用整車的散熱數(shù)據(jù)對散熱器組進(jìn)行了改進(jìn)研究;劉佳鑫等對散熱器進(jìn)行了多方面的研究;董軍啟等對板翅開窗翅片?平直翅片和百葉窗翅片的散熱性能和阻力性能進(jìn)行了分析;肖寶蘭等分析了散熱器各參數(shù)對其散熱和流動性能影響的大小;劉曉通過仿真證明相同尺寸下的管帶式散熱器性能高于管片式散熱器?國外學(xué)者在提高散熱器性能方面做得研究相對廣泛,AhmedSA等利用TiO2水納米流體增強(qiáng)散熱器的散熱性能;VaelikangasT等通過添加渦發(fā)生器達(dá)到增強(qiáng)散熱器整體性能的目的?

本文針對國內(nèi)某型號工程車輛,利用CFD對其不同熱管和翅片布置下的散熱器單元進(jìn)行仿真分析,并對仿真與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行對比分析,從而為翼型散熱器進(jìn)一步研究提供一定的理論支持?

1散熱器仿真模型

1.1散熱器單元體模型

在已有研究的基礎(chǔ)上,根據(jù)廠商提供的結(jié)構(gòu)參數(shù),利用UGNX8.0建立某工程車輛的管片式散熱器模型?

散熱器主要由進(jìn)水室?出水室和芯體這三部分組成,芯體為管式散熱器的主要結(jié)構(gòu)?管片式散熱器芯體模型如圖1所示,芯體由翅片和熱管組成,芯體的具體結(jié)構(gòu)參數(shù)如表1所示?

1.2CFD網(wǎng)格劃分以及邊界設(shè)置

利用ANSYS進(jìn)行網(wǎng)格劃分,此處采用混合網(wǎng)格對模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分;同時,在邊界層起始位置將結(jié)構(gòu)性網(wǎng)格按比例縮放,直至覆蓋整個翅片,翅片網(wǎng)格劃分如圖2所示,網(wǎng)格劃分?jǐn)?shù)量約為200萬?

為了便于研究,將熱管側(cè)邊界設(shè)置為恒溫,為了得到穩(wěn)定的氣流,將單元體前后分別延長,翅片單元體邊界設(shè)置如圖3所示?

1.3試驗(yàn)驗(yàn)證

在Fluent中進(jìn)行流體動力學(xué)仿真分析,為了驗(yàn)證模型的準(zhǔn)確性,在出?入口截面處布置溫度以及風(fēng)速傳感器,將所得數(shù)據(jù)換算成換熱系數(shù)與壓力損失?圖4?圖5分別為壓力損失與換熱系數(shù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和仿真結(jié)果的對比,從圖中可以看出二者擬合較好,因此可知該模型是準(zhǔn)確的?

2翼型熱管散熱器參數(shù)對性能的影響

2.1翅片結(jié)構(gòu)參數(shù)對散熱器換熱特性影響分析

2.1.1叉排與順排對散熱器換熱特性的影響分析

叉排是指前排兩熱管間隔的中央為后排熱管的位置(如圖1所示),前后兩排熱管數(shù)差1;順排是指兩排熱管位置前后對齊,前后兩排熱管數(shù)相等?對叉排與順排的散熱器芯體模型進(jìn)行仿真分析,結(jié)果如圖6所示?從圖6可以看出,當(dāng)氣體流速達(dá)到12m/s時,叉排散熱器的換熱系數(shù)高出順排散熱器的換熱系數(shù)22.4%?究其原因主要是因?yàn)椴媾派釙r,熱管在兩側(cè)交替持續(xù)散熱,換熱效率高?

2.1.2管排數(shù)對散熱器換熱特性影響分析

管排數(shù)為芯體厚方向上管的數(shù)量,本文分析時選定管排數(shù)分別為3?4?5,仿真結(jié)果如圖7所示?從圖7可以看出,換熱系數(shù)隨著散熱器管排數(shù)增加而增大?究其原因是管排數(shù)的增多實(shí)際上是增加了換熱通道,因此管排數(shù)越多散熱器的換熱性能越好?

2.1.3管長徑Ph對散熱器換熱特性影響分析

管長徑Ph分別選定為9mm?14mm?19mm,仿真結(jié)果如圖8所示?從圖8可以看出,隨著流速的增加,管長徑越大散熱器的換熱效果越好?

2.2翅片結(jié)構(gòu)參數(shù)對散熱器阻力特性影響分析

2.2.1叉排與順排對散熱器阻力特性影響分析

叉排與順排對散熱器阻力特性影響仿真分析結(jié)果如圖9所示?從圖9可以看出,當(dāng)氣體流速達(dá)到12m/s時叉排散熱器壓力損失比順排散熱器的高出約13.24%?綜合換熱特性分析,叉排布置更能夠提升散熱器的換熱效果?

2.2.2管排數(shù)對散熱器阻力特性影響分析

管排數(shù)對散熱器阻力特性影響仿真分析結(jié)果如圖10所示?從圖10可以看出,當(dāng)氣體流速達(dá)到12m/s時,5排管散熱器與3排管散熱器相比壓力損失大48.04%?綜合換熱特性分析,管排數(shù)的增加雖然可以提升散熱器的換熱特性,但是壓力損失較大,制造加工成本提高,實(shí)際應(yīng)用中應(yīng)酌情考慮?

2.2.3管長徑對散熱器阻力特性影響分析

管長徑對散熱器阻力特性影響仿真分析結(jié)果如圖11所示?從圖11可以看出,在高流速狀態(tài)下,19mm的管長徑壓力損失較大,在流速12m/s時,19mm的管長徑的散熱器比9mm管長徑的散熱器壓力損失大約48.92%?分析其主要原因是熱管與空氣接觸面積增加,導(dǎo)致壓力損失呈非線性增長?