汽车散热器空气流动阻力特性的数值计算研究

第17卷 第4期

厦门理工学院学报Vo.l 17 No .4 2009年12月Journal of Xia m en Un i versity of Technol ogy Dec .2009

[收稿日期]2009-09-27 [修回日期]2009-11-20

[作者简介]袁志群(1983-),男,湖南安乡人,助教,硕士,从事汽车空气动力学以及汽车安全研究.

汽车散热器空气流动阻力特性的数值计算研究

袁志群,许建民

(厦门理工学院机械工程系,福建厦门361024)

[摘 要]以获得散热器空气流动阻力、研究汽车发动机舱内流阻力为目的,针对常用的百叶窗汽车

散热器,建立了空气流动数学模型,采用CFD 方法对不同流速下的空气流动特性进行了数值计算,分析了空气流动阻力的组成,得出了阻力特性曲线.在此基础上,对该散热器的相似模型进行了阻力预测.计算结果表明:空气流动阻力的数值计算结果相对于实验结果的平均相对偏差为4198%,其精度可满足工程的需要.计算分析结果为汽车设计初期发动机舱内流阻力特性预测提供了参考数据.

[关键词]散热器;空气流动阻力;发动机舱;内流阻力;阻力特性

[中图分类号]U4641138+12 [文献标志码]A [文章编号]1008-3804(2009)04-038-05

汽车空气阻力特性预测是汽车设计初期的一项重要工作,而内流阻力特性又是空气阻力特性的主要组成部分,其中散热器的空气阻力特性是研究内流阻力特性的一个难点.散热器的空气阻力特性曲线一般可通过实验获取,但进行实验耗时耗资;散热器内部结构和内部流场的复杂性使实验研究受到许多限制.通过对散热器直接进行数值计算的方法,避开了实验手段瓶颈,可清楚了解内部流场的气动参数分布和变化情况,计算结果可以为散热器的优化提出参考性的意见,以较大降低实验设计费用,缩短设计周期,具有较好的工程应用价值.

百叶窗汽车散热器从上世纪50年代就已经出现,在近20年中更是得到了快速的发展和日益广泛的应用.近年来,国内外不少学者对百叶窗汽车散热器进行了大量的实验研究,并在实验的基础上整理出一些计算流动和传热性能的经验公式[1-3],但是其流道结构的复杂,很难用实验的方法准确测定其内部流场结构.本文主要利用CFD 方法对百叶窗汽车散热器的空气流动特性进行了数值计算,得出了散热器内部的空气流动特性,重点分析了其空气流动阻力特性,其计算精度满足了工程的需要,计算分析结果对于后续发动机舱流场计算提供了参考数据

.

1 散热器计算模型的建立

111 几何模型的建立

百叶窗汽车散热器由水管和翅片逐层叠放,然后整

体焊接而成,图1所示为某百叶窗汽车散热器结构简

图,空气沿X 轴方向流动,翅片沿Z 轴呈波纹状延伸.

冷却液从扁管内流过,通过管壁和翅片的导热过程将热

量传递到翅片表面,冷却空气流经百叶窗翅片间流道,

通过与扁管及翅片表面间的对流换热将热量带走.

表1 百叶窗汽车散热器结构参数[1,4]

Tab 11 S truc t u re da te o f a uto m o ti ve fi n 2t ube ra di a tor

结构参数

a s @

b s @

c s L 1L p H F p 尺寸310mm @120mm @20mm 6.4mm 1.7mm 27b 1.2mm

第4期袁志群,等:汽车散热器空气流动阻力特性的数值计算

研究计算模型尺寸与实验测试元件参数一致,主

要尺寸参数如表1所示.为简化起见,假定每个

翅片间流道是均匀的,且扁管间距相等,忽略冷

却水侧模型对空气侧流动的影响,根据表1尺寸

所建立的百叶窗汽车散热器空气流动计算模型如

图2所示.

112 基本假设与数学模型的建立

计算采用三维直角坐标求解,认为散热器内部

空气流动为三维不可压定常流[5].不考虑冷却水的

影响、散热翅片的散热量,认为空气速度在散热器的迎面处均匀分布,忽略空气重力的影响.

以翅片间距F p 为特征尺寸计算翅片间流道内的雷诺数,根据雷诺数的大小来确定是采用层流模型还是湍流模型进行计算.层流模型控制方程组如公式(1)、(2)所示.

质量守恒方程:

5(Q u i )/5x i =0 (i =1,2,3)

(1)动量守恒方程:

5(Q u i u j )/5x i =(L 5/5x i )(5u j /5x i )-(5p /5x j )(2)

湍流模型采用标准k -E 模型,其控制方程中质量守恒方程与层流模型相同,如公式(1)所示,动量守恒方程如公式(3)所示.

5(u i u j )/5x i =-5p /5x j +5/5x j [L eff (5u i /5x j +5u j /5x i )](3)

式(1))式(3)中,矢量u j 是平均速度分量,矢量x i 为坐标分量,p 是流体微元体上的压力,L eff 是湍流有效粘性系数.

湍流动能和湍流耗散率输运方程如公式(4)、(5)所示.

5(Q k u i )/5x i 5[(L +L t /R k )5k /5x i ]/5x i +G k -Q E

(4)5(Q E u i )/5x i 5[(L +L t /R E )5E /5x i ]/5x i +c E 1E G k /k -c E 2Q E 2/k (5)

式中,Q 是流体密度,k 为湍流动能,E 为湍流动能耗散率,G k 是平均速度梯度引起的湍流动能k 的产生项,由公式(6)计算:

G k =L t(5u i /5x j +5u j /5x i )5u i /5x j

(6) 湍流有效粘性系数L eff 由式(7)计算:

C L =L +L t ,L t =Q C L k 2/E

(7) 以上各式中L 为动力粘度,L t 为湍动粘度,c L 、c E 1、c E 2、R k 、R E 为经验常数.这些参数需要用

典型流动的实验结果和算例结果做最佳拟合来得到,目前常用的经验系数如式(8)

[6].C L =0.09,c E 1=1.44,c E 2=1.92,R k =1.0,R E =1.3(8)2 散热器数值计算方法

211 网格划分及边界条件设置

采用OCT REE 方法在整个计算流域生成非结构化空间网格,在百叶窗翅片壁面处,速度、压力梯度比较大,在此划分了三层棱柱网格.整个计算区域网格数量为600382个(如图2所示).根据实际计算模型,结合周期性边界条件和对称边界条件对其进行适当简化,计算模型边界条件设定如下所示.

1)入口采用均匀来流的速度入口边界条件:

u =constant ,v =w =0;

2)出口设定为压力出口边界条件;

3)与流动方向平行的面设定为周期性边界条件:

<(x,y,0)=<(x,y ,h );

#

39#