铝制板翅式油冷器单层水侧流动特性的数值模拟

铝制板翅式油冷器单层水侧流动特性的数值模拟
胡兆吉;李红;邹文楠
【摘要】利用Fluent软件对国内某泄漏失效的铝制板翅式油冷器和其改进型油冷器分别进行了单层水侧流体流动特性的数值模拟,结果表明:由于水侧结构设计不合理,造成流道流量分配不合理,导致水侧压力分布不均、形成局部压力过小区,进而发生气蚀现象导致油冷器泄漏失效.改进型油冷器水侧流道3流量分配较原油冷器提高了16.7%,流道4降低了15%,这也使得油进口、流道2、流道3及水出口端压力分布更优,可有效预防气蚀.
【期刊名称】《南昌大学学报（工科版）》
【年(卷),期】2010(032)004
【总页数】6页(P353-358)
【关键词】铝制板翅式油冷器;数值模拟;流动特性;Fluent软件
【作者】胡兆吉;李红;邹文楠
【作者单位】南昌大学,环境与化学工程学院,江西,南昌,330031;南昌大学,环境与化学工程学院,江西,南昌,330031;南昌大学,工程力学研究所,江西,南昌,330031
【正文语种】中文
【中图分类】TK414.2
机油冷却器是汽车柴油发动机系统的关键零部件之一,被广泛应用于载重货车、大中型客车及工程机械上,且其应用范畴正在进一步向轿车、船舶、工业用和民用领
域延伸。

机油冷却器的作用是降低机油的温度,使其保持在合适范围内,从而大幅度
提高发动机的性能和使用寿命。

目前机油冷却器广泛采用的是一种新型高效率板翅式换热器,具有结构紧凑、轻巧及传热效率高的特点。

传统的机油冷却器设计主要
通过理论分析和实验方法完成,但板翅式机油冷却器流动与传热规律复杂,导致其实
验研究的投入费用大、周期长,无法完全满足现代机油冷却器研究开发的需要。

而
计算流体力学(CFD)方法不受物理模型和实验模型的限制,省钱省时,有较多的灵活性,能给出详细和完整的资料,很容易模拟特殊尺寸、高温、有毒、易燃等真实条件
和实验中只能接近而无法达到的理想条件,因此国内外的很多学者[1-7]提出采用CFD方法来模拟计算、评价、选择和优化设计方案,从而大幅度地减少实验室和实
体试验的研究工作量。

图1 铝制板翅式油冷器实物图Fig.1 Aluminum plate-fin oil cooler physical photo
图1为国内某公司铝制板翅式油冷器实物图,它由 8层半水路和 8层油路组成。

该油冷器产品在某款车型上运行 3.4万 km后出现泄漏失效,造成极大的经济损失。

对失效油冷器进行密封性试验发现泄漏位置发生在第 1层、第 2层,失效模式为水
油通。

在解剖的水路芯片上发现了多处凹坑,凹坑大小深浅各不一样,大尺寸在
0.5～0.7 mm,深度难以测量,如图2所示。

经深入研究,已排除电化学腐蚀的可能性。

经初步判断,该型油冷器泄漏失效有可能系气蚀所致。

图2 油冷器水侧出现的凹坑Fig.2 Pits in oil cooler water-side
气蚀[8-10]是流体机械特有的现象,它是由于液流流道中的局部低压(低于该处温度
下液体的饱和蒸汽压)使液体在该处汽化而引起大量微气泡爆发性生长,微气泡急剧生长成大气泡后随液流至低压和负压区,由于气泡内外压差过大,导致气泡突然溃灭,对流道壁面产生高达几百个大气压的冲击,造成壁面材料剥蚀。

因此研究分析油冷
器内部流体流动特性对油冷器的设计、使用及其失效预防尤为重要。

1 数值计算模型
1.1 几何模型
图3(a)为国内某铝制板翅式油冷器的单层水侧平面尺寸示意图。

该油冷器水侧结构上沿中心线左右两边完全对称,中心圆孔(标注 2)为油层总出口,其上方矩形孔(标注 1)为单层油进口,正下方圆孔(标注 6)为单层油出口,左下方圆孔(标注 5)为水层进口,右下方圆孔(标注 7)为水层出口,小凸台(标注 3)沿中心孔中心圆周均匀分布,单层水层层厚为 1.6 mm。

图3(b)所示为改进型油冷器的单层水侧平面尺寸示意图。

与原油冷器相比,改进型油冷器的主要变化表现在：1)凸台数量较多、分布稠密;2)油层进出口形状为流线型设计;3)水进出口管径稍大。

图3 单层水侧平面尺寸示意图Fig.3 Monolayer water-side plan sketch
采用 Fluent前处理软件 gambit建立三维计算模型并划分网格。

网格划分时,层厚度方向上均匀划分 8个点,水进出口圆柱高度方向上均匀划分 50个点,近壁区采用边界层网格划分,面网格采用四边形单元,pave方式,体网格采用六面体网格,cooper 方式。

通过采用不同的 interval size,划分了多种不同网格数的网格,并经过网格测试得到国内原芯片模型、改进型芯片模型的合理网格总数分别为 17万、19万左右,图4为油冷器的数值计算模型的网格划分。

图4 Fluent分析模型Fig.4 Fluent analytical model
1.2 边界条件
工作介质为水和乙二醇的混合液,假定是常物性,其密度为 1 030 kg/m3,黏度为0.65 mPa◦ s。

管入口条件为速度入口,并采用 udf圆管抛物线型速度,入口流量为1～10 L/min;出口条件为自由出流,并将管入口面中心点压力设置为 0 Pa;为方便后文分析,笔者定义了 4个内部面,分别命名为流道 1、流道 2、流道 3及流道 4,详见
图5标注(改进型模型定义类似)。

图5 边界条件Fig.5 Boundary condition
1.3 求解设置
由于流体不可压缩且流动稳定,采用基于压力的隐式、3D、稳态求解器并采用标准k-ε湍流计算模型;压力和速度耦合采用 SIMPLEC算法,并将压力校正亚松弛因子设为 1.0[11];定义收敛条件为质量计算残差绝对值小于2×10-6。

另外,为了便于判断解收敛与否,在 surface monitors中定义 2个surface monitor窗口,分别监视流道 4的质量流量和管出口面的平均静压力。

2 数值模拟结果与分析
通过对原油冷器和改进型油冷器单层水侧流体流场的三维数值模拟分别得到了它们的静压力分布情况、速度矢量分布情况、流量与进出口压降情况及各流道流量分配情况。

2.1 压力分布
图6为原芯片与改进型芯片在流量为 5 L/min下的厚度中心截面压力分布云图。

由图知原芯片流场中压力变化比较明显,在油进口附近、流道 2、流道 3、流道 4以及水出口端压力变化尤为明显,压力变化最大处位于流道 4;压力变化较大的区域与泄漏失效件(图2)中出现凹坑的区域(流道 2、流道 3、水出口)大致一致。

改进型芯片流场中压力变化比较平缓,分布较优。

在流道 4的小部分区域压力变化依然偏大,但是在油进口、流道 2、流道 3及水出口端压力变化情况都有了明显的改善,这对预防气蚀现象的发生是有利的。

图6 层厚度中心截面静压分布云图Fig.6 Static pressure distribution in center-height cross-section
2.2 速度分布
图7为原芯片与改进型芯片在流量 5 L/min下的厚度中心截面速度矢量分布云图,
图中单位为 m/s。

由图知原芯片流道 2、流道 3、流道 4及水出口端流速较大,其中流道 4流速最大。

改进型芯片相对原芯片而言,速度分布较为均匀,在流道 2、流道 3、流道 4及水出口处速度分布都有了很大的改善。

2.3 压降
图7 层厚度中心截面速度矢量分布云图Fig.7 Velocity vector distribution in center-height cross-section
进出口压降是油冷器设计时应考虑的一个重要参数,压降的大小关系到泵功耗及成本,因此研究流量对压降的影响具有重要意义。

一般而言,管入口流量改变时,管进出口面的平均压降也相应会发生变化。

为了研究流量对管进出口面平均压降的影响规律,笔者采用第 1部分中的数值计算模型,在流量为 qv=1～8 L/min范围内,对原芯片和改进型芯片分别进行了 15次数值模拟,并得到两芯片的流量与进出口压降曲线图(图8)。

由图8可知,相同流量下改进型芯片的进出口平均压降比原芯片进出口压降大,这是因为改进型芯片的凸台比较多,分布比较稠密,流体在流动的过程中受到的阻力相对来说也就大很多了,因此压降也较大些。

不同流量下,两芯片压降差值随着流量的增大而增大。

图8 流量与进出口压降曲线图Fig.8 Curve：Inlet-outlet pressure drop with the change of volume flow
2.4 流量分配
流道流量分配比例是指稳态时流过该流道的流量与入口总流量之比。

各流道的流量分配比例在一定程度上影响油冷器的换热效率,合理的流量分配比例可获得较好的换热效率,因此研究流量分配规律对油冷器水侧的设计具有重要意义。

图9为流量在 1～10 L/min条件下,原芯片和改进型芯片的流量 -各个流道的流量分配比例曲线图。

总体来看,流量改变时两芯片各流道流量分配比例变化较小,改进型芯片较原芯片更稳定些。

原芯片与改进型芯片在每个流道的流量分配比例都不一样(见表1),这是因为一方面两芯片各流道流通截面积不同所致,另一方面凸台对流体的流动具有引导作用,而两芯片中凸台分布不同所致。

表1 各流道流量分配比例平均值Tab.1 Average allocation proportion of channel capacity?
原芯片中,流道 1的流量分配比例最小,平均为15.4%;流道 2和流道 3平均值分别为 23.0%、20.3%;而流道 4的流量分配比例最大,其平均值高达 41.3%,且流道 4的流通截面积比较小,因此油出口与其附近壁面间流体呈现速度大、压降变化大的特征,与前文分析相符。

从换热的角度来看,流道4流量分配比例过大及流道 1流量分配比例过小都是不利于换热的,因为冷流体由入口面进入,大比例的流体经过流道4而直接流走了,这部分流体还没有充分换热。

因此油冷器水侧的设计时,在允许的情况下应使得流道 1的流量分配比例尽量高,而流道 4的流量分配比例尽量低,这样有利于换热,从而提高油冷器换热效率。

改进型芯片中,流道 1的流量分配比例最小,平均值为 17.4%;流道 2平均值为19.3%,流道 3分配比例最大,其平均值为 37.0%;流道 4平均为26.3%。

改进型芯片流道 1分配比例比原芯片平均高 2%,流道 3分配比例显著提高,达 16.7%,流道4分配比例显著降低,达 15%,这些改进对提高油冷器换热效率是有益的。

3 结论
通过对国内某油冷器和其改进型油冷器单层水侧流体流场的三维数值模拟研究分析知：
1)原芯片在油进口、流道 2、流道 3、流道 4及水出口处压力变化都比较大、流速也较大,压力变化较大的区域与泄漏失效油冷器中出现凹坑的区域大致一致。

低压
和负压是产生气蚀现象的一个重要因素,油冷器的第 1层、第 2层水路压力相对其他层较小。

因此,相比之下,第 1层、第 2层水路压力变化较大的关键区域容易出现气蚀,这也正是泄漏失效油冷器的泄漏位置出现在第 1层、第 2层的原因之一。

改进型芯片在这些关键区域压力分布情况都有了很大的改善,从预防气蚀的角度来看,改进型芯片设计更加合理。

2)流量变化时,两芯片各流道流量分配比例变化较小,但两芯片各流道流量分配比例截然不同,这说明流道流量分配受入口流量影响较小而受芯片内部结构影响较大,因此在水侧设计时应合理地考虑其内部结构,在允许的情况下应使得流道 1的流量分配比例尽量高,而流道 4的流量分配比例尽量低,这样有利于换热,从而提高油冷器换热效率。

原芯片流道 4流量分配比例最大,平均为 41.3%。

改进型芯片流道 4平均为 26.3%,比原芯片下降了15%,改进型芯片大大地改善了油冷器的换热效率。

3)进出口压降的大小关系到泵功耗及成本。

同流量下,改进型芯片的压降比原芯片压降大,因此改进型芯片比原芯片的泵功耗及成本大。

进行油冷器水侧结构设计时,应综合考虑换热效率和泵功耗及成本,合理的设计其内部结构使之既可以防止关键区域的压降过大,从而有效避免气蚀现象,同时可以得到较为满意的流道流量分配,得到较好的换热效果,又不至于进出口压降过大,造成泵功耗及成本增大。

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