汽车管带式散热器仿真设计方法的研究
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试验 按照 一 汽 集 团 技术 中 心 “ 散 热 器 性 能 试 验 方法”在全封闭台架上进行 , 所有试验数据均通过程 序设定后采集记录和整理 。 根据试验结果确定计算 用参数为 :单个水管进口的流速为 570 mm/ s , 温度 为 86 .33 ℃;空气入口 流速为 6 050 mm/ s , 温度为 25 .91 ℃, 压力为 0 。 1 .1 .2 局部散热器仿真计算及结果分析
通过对这种结构散热器局部散热单元的流动换 热耦合计算 , 得知翅片开窗 23°时散热效果最好 。 以 该计算结果设置整体散热器多孔介质的物性参数 , 并进行了散热器整体仿真计算 , 结果如图 9 所示 。
图 6 不同开窗角度时的对 流换热系数
1 .2 整体散热器三维模型建立及仿真计算 1 .2 .1 整体散热器三维模型建立
摘要 :利用 CF D 手段对结构复杂的管带式散热器仿真设计方法进行了研究 , 采用散热器
局部完全仿真计算分析得到管带与空气的热交换系数 , 并从温度 、压力和速度三方面分析了散
热片开窗角度对其换热性能的影响 , 得出开窗 23°时换热效果最好 , 又利用多孔介质模拟开窗
散热带 , 进行整体散热器的传热性能仿真模拟计算 。研究结果表明 :计算结果与试验结果比较
2011 年第 2 期
内 燃 机 工 程
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力 ;开窗 20°的散热带翅片附近形成湍流区 , 无法形 成合适的导热边界层 , 影响换热效果 ;而在开窗 23° 的散热带翅片附近 , 冷却空气均匀通过形成最佳的 导热边界层 , 所以导热效果显著[ 2] 。
气的换热计算 。图 7 为在 CATIA 中建立的整体简化 散热器模型 。图 8 为导入 CFdesign 后的模型 。
局部散热单元与整体散热器一样具有散热带和 冷却水管 , 只是其冷却液的进出口条件与整体散热器 不同 。本文按照实际散热器的几何尺寸在 CATIA 中 建立了局部散热器的三维模型 , 如图 1 所示 。这是一 个双排水管散热器 , 水管之间以开窗散热带连接 。
上 , 保持翅片长度 、宽度 、翅片间距离 、翅片高度等结 构参数不变 , 只改变翅片开窗角度 , 通过对 20°～ 30° 开窗角度的流动换热耦合仿真计算 , 获得散热器换 热单元的平均换热系数 , 并依据数值计算结果评价 结构合理性 , 为散热器结构优化设计提供理论依据 。
Abstract :Usi ng CF D technique , t he simulation design met hod of autom ot ive radiat or wi th complex
st ruct ure w as studied .T he radiat or w as parti ally simulat ed t o calculat e the heat exchange coef ficient betw een co rrug ated band and cooling ai r , and t he eff ect s of the radia to r louver opening angle on radiato r heat e xchange pe rf o rm ance w ere analy zed f rom t hree aspect s of tem perat ure , pressure and flow velo city .It i s co ncluded that t he best ef fect is achieved at 23°o pening ang le .T he heat t ransfer perf orm ance of w ho le radiat or w as calculated by using po rous medium to imit ate the heat transf er coef ficient and f low resistance of t he finlouver heat dissipat ion band .T he calculated result s coincide w it h t he m easured dat a .T his sim ulat ion desig n method provides the possi bilit y fo r radiat or optimiza tion desi gn .
收稿日期 :2009-08-24 基金项目 :国家“ 八六三” 高技术研究发展计划现代交通技术领域“ 汽车开发先进技术” 重点项目(2006AA110104) 作者简介 :袁兆成(1954 -), 男 , 教授 , 博士 , 主要研究方向为内燃机现代设计理论与方法, E-mail :yuanzc@jlu.edu.cn。
图 1 在 CA T I A 中建立的模型
图 2 为将在 CAT IA 中建好的三维模型导入计 算软件 CFde sign 后的模型 。 CFdesign 软件可以对 各种 CAD 软件所建立的模型进行数值模拟 , 由于 其包括了工业首创的固体运动模块 , 使得它能够完 整地模拟旋转机械的运动 。
图 3 不同开窗角度所对应的空气压力分布
YUAN Zhao-cheng1 , ZHU Qing1 , WANG Ji2 , WANG Hong-zhi2 , CHANG He3
(1 .Stat e Key Laborat ory of Aut omo bile Dy namic Simulatio n , Jilin Universi ty , Changchun 130000 , China ; 2 .F AW T echno logy Center , Changchun 130000 , China ;3 .F AW CA R Co ., L td ., Chang chun 130000 , China)
图 5 开窗 20°和开窗 23°时的整体速度切片
散热带翅片开窗角度具有切断散热带上气体边 界层发展 、减薄边界层厚度 、提高散热器性能的作用 。 通过对其外部流动 、传热与阻力特性进行的研究 , 得 知开窗角度是影响导热边界层形成的主要原因 。
对于局部散热器 , 在不同空气流量和不同开窗 角度条件下得出不同的对流换热系数 , 其中以开窗 23°时的对流换热系数最大 , 即 在开窗 23°时散热效 果最好 。 空气质量流量为 1 .13 kg/ s 时 , 不同开窗角 度的对流换热系数情况如图 6 所示 。
文献标识码 :A
0 概述
散热器的换热是一个复杂 的三维流动过程 , 由 于受到试验条件和测试技术等多方面因素的限制 , 目前对于试验测定流动速度 、换热系数与压降分布 的文献较少 。散热带开窗角度对散热器换热性能有 着十分重要的影响 , 通过工程实践和试验发现 , 开窗 角度在 20°～ 30°范围时 , 散热器的换热效果最为显 著 。 但是 , 由于制造技术和测量仪器的制约 , 在 20°
第230211卷年第4
2期 月
内 燃 机 工 程 Chinese Internal Combustion Eng ine Eng ineering
文章编号 :1000 -0925(2011)02 -0085 -04
VAopl.r3il2.2N0o11.2
320034
汽车管带式散热器仿真设计方法的研究
～ 30°范围内找到最合适的开 窗角度较为困难 。 本 文利用 CFD 仿真分析方法 , 研究了散热器在不同开 窗角度下的散热特性 , 详细分析了开窗角度对流场 和温度场的影响 。 由于散热器结构复杂 , 尤 其开窗 结构的散热带使散热器的模型更为复杂 , 以至于在 任何计算机上都不 可能建立 完整的散 热器三维 模 型 , 更不用说将其网格化进行三维模拟计算 。 因此 , 在计算机能力允许的条件下 , 研究局部散热器的流 动与传热情况是散热器仿真模拟分析的必要途径 。
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内 燃 机 工 程
2011 年第 2 期
1 仿真设计方法的研究[ 1]
仿真设计方法基本思路 :首先建立散热器局部 三维简化模型 , 然后将其导入流体力学计算分析软 件 CF desig n 中确定计算区域 、建立计算模型 ;通过 模拟换热单元的流动换热 , 获得翅片的换热系数及 压力损失 , 再利用多孔介质模型对散热器整体进行 仿真计算 , 得出结论 。 1 .1 局部散热器三维模型建立及仿真计算 1 .1 .1 局部散热器三维模型建立
在模型计算与试 验数据验 证符 合要求 的基础
图 4 不同开窗角度所对应的空气温度分布
(3)开窗角度对空气流动速度及分布的影响 图 5 为空气质量流量为 3.65 kg/ s 时 , 不同开窗 角度的整体速度切片情况 。 由图 5 可见 :开窗 20°时 空气掠过散热带的平均速度明显高于开窗 23°时 , 从 而进一步表明加大 开窗角度 增加了空 气的流动 阻
吻合 , 为散热器产品的优化设计提供了可能 。
关键词 :内燃机 ;汽车散热器 ;仿真设计 ;换热系数
Hale Waihona Puke Baidu
Key words :IC engine ;automotive radiator;simulation design;heat transfer coefficient
中图分类号 :T K 414.2
本文只对 20°、23°和 30°的仿真计算结果的截图 进行分析 。
(1)开窗角度对压力的影响 图 3 为外部空气质量流量为 3.65 kg/ s 时 , 不同 开窗角度所对 应的空气 压力分布 情况 。 由 图 3 可 见 :在相同的空气流量下 , 开窗 30°时压力损失比开 窗 23°时多 12.180 8 Pa , 比 20°时多 43.982 5 Pa , 即空 气侧的压降随着开窗角度的增大而增加 。
在不影响计算结果的条件下对原始模型进行了 适当的简化 。原型散热器上 、下水室由工程塑料包裹 且固定在发动机前部 , 外部空气无法直接与它强制对 流换热 , 因此建模计算时省略该塑料外壳 , 不参与空
图 9 整体仿真结果
· 88 ·
内 燃 机 工 程
由图 9a 可见 :外部冷却空气的温度逐渐升高 ; 由图 9b 可见 :散热器冷却水管温度由上至下呈逐步 降低趋势 , 这都是冷却空气流经散热器时吸收冷却 水管热量所致 。 此外 , 散热器上 、下水箱的温度高于 冷却水管的温度 , 其原因一是散热器管内水的温度 高于管壁的温度 , 较高温度的水积聚到下水箱导致 水箱温度较高 ;二是后排冷却水的温度高于前排冷 却水的温度 , 前 、后排管内水流在下水箱中混合使下 水箱内整体水温上升 。图 9 的计算结果与试验数据 相吻合 , 验证了仿真计算的准确性 。
(2)开窗角度对温度的影响 图 4 为外部空气质量流量为 3.65 kg/ s 时 , 不同 开窗角度所对 应的空气 温度分布 情况 。 由 图 4 可 见 :在相同的空气质量流量下 , 随着翅片开窗角度的 增大 , 流场内的压降和紊流程度不同 , 适当增大开窗 角度后换热效果也增加 。
图 2 导入到 CF desig n 后的模型
图 8 导入到 CF desig n 的模型
1 .2 .2 整体散热器仿真计算及结果分析 要直接模拟散热器中流体的流动 , 必须 对散热
器模型进行一定的简化处理 , 而把散热器的百叶窗 散热带简化为多孔介质就是一种常用的方法 , 即通 过引入分布阻力等参数 , 将流体流过芯体的流动当 作多孔介质中的流动来处理 。 该计算结果可以给出 散热器中比较详细的物理分布信息 , 也是对散热器 整体研究中广为采用的一种简化模拟模型[ 3] 。
袁兆成1 , 朱 晴1 , 王 吉 2 , 王宏志2 , 常 贺3 (1 .吉林大学 汽车动态模拟国家重点实验室 , 长春 130000 ;2 .一汽集团技术中心 , 长春 130000 ;
3 .一汽轿车股份有限公司 , 长春 130000)
Study on Simulation Design Method of Corrugated Tube Radiator for Automobile
通过对这种结构散热器局部散热单元的流动换 热耦合计算 , 得知翅片开窗 23°时散热效果最好 。 以 该计算结果设置整体散热器多孔介质的物性参数 , 并进行了散热器整体仿真计算 , 结果如图 9 所示 。
图 6 不同开窗角度时的对 流换热系数
1 .2 整体散热器三维模型建立及仿真计算 1 .2 .1 整体散热器三维模型建立
摘要 :利用 CF D 手段对结构复杂的管带式散热器仿真设计方法进行了研究 , 采用散热器
局部完全仿真计算分析得到管带与空气的热交换系数 , 并从温度 、压力和速度三方面分析了散
热片开窗角度对其换热性能的影响 , 得出开窗 23°时换热效果最好 , 又利用多孔介质模拟开窗
散热带 , 进行整体散热器的传热性能仿真模拟计算 。研究结果表明 :计算结果与试验结果比较
2011 年第 2 期
内 燃 机 工 程
· 87 ·
力 ;开窗 20°的散热带翅片附近形成湍流区 , 无法形 成合适的导热边界层 , 影响换热效果 ;而在开窗 23° 的散热带翅片附近 , 冷却空气均匀通过形成最佳的 导热边界层 , 所以导热效果显著[ 2] 。
气的换热计算 。图 7 为在 CATIA 中建立的整体简化 散热器模型 。图 8 为导入 CFdesign 后的模型 。
局部散热单元与整体散热器一样具有散热带和 冷却水管 , 只是其冷却液的进出口条件与整体散热器 不同 。本文按照实际散热器的几何尺寸在 CATIA 中 建立了局部散热器的三维模型 , 如图 1 所示 。这是一 个双排水管散热器 , 水管之间以开窗散热带连接 。
上 , 保持翅片长度 、宽度 、翅片间距离 、翅片高度等结 构参数不变 , 只改变翅片开窗角度 , 通过对 20°～ 30° 开窗角度的流动换热耦合仿真计算 , 获得散热器换 热单元的平均换热系数 , 并依据数值计算结果评价 结构合理性 , 为散热器结构优化设计提供理论依据 。
Abstract :Usi ng CF D technique , t he simulation design met hod of autom ot ive radiat or wi th complex
st ruct ure w as studied .T he radiat or w as parti ally simulat ed t o calculat e the heat exchange coef ficient betw een co rrug ated band and cooling ai r , and t he eff ect s of the radia to r louver opening angle on radiato r heat e xchange pe rf o rm ance w ere analy zed f rom t hree aspect s of tem perat ure , pressure and flow velo city .It i s co ncluded that t he best ef fect is achieved at 23°o pening ang le .T he heat t ransfer perf orm ance of w ho le radiat or w as calculated by using po rous medium to imit ate the heat transf er coef ficient and f low resistance of t he finlouver heat dissipat ion band .T he calculated result s coincide w it h t he m easured dat a .T his sim ulat ion desig n method provides the possi bilit y fo r radiat or optimiza tion desi gn .
收稿日期 :2009-08-24 基金项目 :国家“ 八六三” 高技术研究发展计划现代交通技术领域“ 汽车开发先进技术” 重点项目(2006AA110104) 作者简介 :袁兆成(1954 -), 男 , 教授 , 博士 , 主要研究方向为内燃机现代设计理论与方法, E-mail :yuanzc@jlu.edu.cn。
图 1 在 CA T I A 中建立的模型
图 2 为将在 CAT IA 中建好的三维模型导入计 算软件 CFde sign 后的模型 。 CFdesign 软件可以对 各种 CAD 软件所建立的模型进行数值模拟 , 由于 其包括了工业首创的固体运动模块 , 使得它能够完 整地模拟旋转机械的运动 。
图 3 不同开窗角度所对应的空气压力分布
YUAN Zhao-cheng1 , ZHU Qing1 , WANG Ji2 , WANG Hong-zhi2 , CHANG He3
(1 .Stat e Key Laborat ory of Aut omo bile Dy namic Simulatio n , Jilin Universi ty , Changchun 130000 , China ; 2 .F AW T echno logy Center , Changchun 130000 , China ;3 .F AW CA R Co ., L td ., Chang chun 130000 , China)
图 5 开窗 20°和开窗 23°时的整体速度切片
散热带翅片开窗角度具有切断散热带上气体边 界层发展 、减薄边界层厚度 、提高散热器性能的作用 。 通过对其外部流动 、传热与阻力特性进行的研究 , 得 知开窗角度是影响导热边界层形成的主要原因 。
对于局部散热器 , 在不同空气流量和不同开窗 角度条件下得出不同的对流换热系数 , 其中以开窗 23°时的对流换热系数最大 , 即 在开窗 23°时散热效 果最好 。 空气质量流量为 1 .13 kg/ s 时 , 不同开窗角 度的对流换热系数情况如图 6 所示 。
文献标识码 :A
0 概述
散热器的换热是一个复杂 的三维流动过程 , 由 于受到试验条件和测试技术等多方面因素的限制 , 目前对于试验测定流动速度 、换热系数与压降分布 的文献较少 。散热带开窗角度对散热器换热性能有 着十分重要的影响 , 通过工程实践和试验发现 , 开窗 角度在 20°～ 30°范围时 , 散热器的换热效果最为显 著 。 但是 , 由于制造技术和测量仪器的制约 , 在 20°
第230211卷年第4
2期 月
内 燃 机 工 程 Chinese Internal Combustion Eng ine Eng ineering
文章编号 :1000 -0925(2011)02 -0085 -04
VAopl.r3il2.2N0o11.2
320034
汽车管带式散热器仿真设计方法的研究
～ 30°范围内找到最合适的开 窗角度较为困难 。 本 文利用 CFD 仿真分析方法 , 研究了散热器在不同开 窗角度下的散热特性 , 详细分析了开窗角度对流场 和温度场的影响 。 由于散热器结构复杂 , 尤 其开窗 结构的散热带使散热器的模型更为复杂 , 以至于在 任何计算机上都不 可能建立 完整的散 热器三维 模 型 , 更不用说将其网格化进行三维模拟计算 。 因此 , 在计算机能力允许的条件下 , 研究局部散热器的流 动与传热情况是散热器仿真模拟分析的必要途径 。
· 86 ·
内 燃 机 工 程
2011 年第 2 期
1 仿真设计方法的研究[ 1]
仿真设计方法基本思路 :首先建立散热器局部 三维简化模型 , 然后将其导入流体力学计算分析软 件 CF desig n 中确定计算区域 、建立计算模型 ;通过 模拟换热单元的流动换热 , 获得翅片的换热系数及 压力损失 , 再利用多孔介质模型对散热器整体进行 仿真计算 , 得出结论 。 1 .1 局部散热器三维模型建立及仿真计算 1 .1 .1 局部散热器三维模型建立
在模型计算与试 验数据验 证符 合要求 的基础
图 4 不同开窗角度所对应的空气温度分布
(3)开窗角度对空气流动速度及分布的影响 图 5 为空气质量流量为 3.65 kg/ s 时 , 不同开窗 角度的整体速度切片情况 。 由图 5 可见 :开窗 20°时 空气掠过散热带的平均速度明显高于开窗 23°时 , 从 而进一步表明加大 开窗角度 增加了空 气的流动 阻
吻合 , 为散热器产品的优化设计提供了可能 。
关键词 :内燃机 ;汽车散热器 ;仿真设计 ;换热系数
Hale Waihona Puke Baidu
Key words :IC engine ;automotive radiator;simulation design;heat transfer coefficient
中图分类号 :T K 414.2
本文只对 20°、23°和 30°的仿真计算结果的截图 进行分析 。
(1)开窗角度对压力的影响 图 3 为外部空气质量流量为 3.65 kg/ s 时 , 不同 开窗角度所对 应的空气 压力分布 情况 。 由 图 3 可 见 :在相同的空气流量下 , 开窗 30°时压力损失比开 窗 23°时多 12.180 8 Pa , 比 20°时多 43.982 5 Pa , 即空 气侧的压降随着开窗角度的增大而增加 。
在不影响计算结果的条件下对原始模型进行了 适当的简化 。原型散热器上 、下水室由工程塑料包裹 且固定在发动机前部 , 外部空气无法直接与它强制对 流换热 , 因此建模计算时省略该塑料外壳 , 不参与空
图 9 整体仿真结果
· 88 ·
内 燃 机 工 程
由图 9a 可见 :外部冷却空气的温度逐渐升高 ; 由图 9b 可见 :散热器冷却水管温度由上至下呈逐步 降低趋势 , 这都是冷却空气流经散热器时吸收冷却 水管热量所致 。 此外 , 散热器上 、下水箱的温度高于 冷却水管的温度 , 其原因一是散热器管内水的温度 高于管壁的温度 , 较高温度的水积聚到下水箱导致 水箱温度较高 ;二是后排冷却水的温度高于前排冷 却水的温度 , 前 、后排管内水流在下水箱中混合使下 水箱内整体水温上升 。图 9 的计算结果与试验数据 相吻合 , 验证了仿真计算的准确性 。
(2)开窗角度对温度的影响 图 4 为外部空气质量流量为 3.65 kg/ s 时 , 不同 开窗角度所对 应的空气 温度分布 情况 。 由 图 4 可 见 :在相同的空气质量流量下 , 随着翅片开窗角度的 增大 , 流场内的压降和紊流程度不同 , 适当增大开窗 角度后换热效果也增加 。
图 2 导入到 CF desig n 后的模型
图 8 导入到 CF desig n 的模型
1 .2 .2 整体散热器仿真计算及结果分析 要直接模拟散热器中流体的流动 , 必须 对散热
器模型进行一定的简化处理 , 而把散热器的百叶窗 散热带简化为多孔介质就是一种常用的方法 , 即通 过引入分布阻力等参数 , 将流体流过芯体的流动当 作多孔介质中的流动来处理 。 该计算结果可以给出 散热器中比较详细的物理分布信息 , 也是对散热器 整体研究中广为采用的一种简化模拟模型[ 3] 。
袁兆成1 , 朱 晴1 , 王 吉 2 , 王宏志2 , 常 贺3 (1 .吉林大学 汽车动态模拟国家重点实验室 , 长春 130000 ;2 .一汽集团技术中心 , 长春 130000 ;
3 .一汽轿车股份有限公司 , 长春 130000)
Study on Simulation Design Method of Corrugated Tube Radiator for Automobile