车用暖风散热器数值模型

2009年(第31卷)第4期

汽　车　工　程Aut omotive Engineering

2009(Vol .31)No .4

2009071

车用暖风散热器数值模型

原稿收到日期为2008年8月19日,修改稿收到日期为2008年11月17日。

瞿晓华,施骏业,陈江平,赵　宇

(上海交通大学机械与能源工程学院,上海　200240)

[摘要]　基于计算流体力学方法,采用RNG k 2ε模型,建立了某轿车暖风散热器的三维流动与传热数值模型,计算得到了暖风散热器内的流动和传热细节。利用台架单体试验进行了试验验证,结果表明该数值模型能够较准确地预测车用暖风散热器全工况下的性能。

关键词:汽车暖风散热器;计算流体力学模型

Nu merical Model Aut omotive Heating Radiat or

Qu X i a ohua,Sh i Junye,Chen J i a ngp i n g &Zhao Y u

School of M echanical &Energy Engineering,Shanghai J iaotong U niversity,Shanghai 200240

[Abstract]　Based on the technique of computati onal fluid dyna m ics (CF D ),a three 2di m ensi onal CF D nu 2

merical model for a car heating radiat or is established by using RNG k 2

εmodel,and the details of fl ow field and heat transfer inside the heating radiat or are calculated .Bench test on the radiat or is conducted for verificati on and the results show that the nu merical model established can p redict the perf or mance of the aut omotive heating radiat or under all working conditi ons with accep table accuracy .

Keywords:auto m oti ve hea ti n g rad i a tor;CFD m odel

前言

近年来汽车市场竞争日趋激烈,各大汽车公司开发的新车型越来越多,市场对汽车及零部件设计的要求越来越高。其中,汽车除霜除雾性能的好坏,

不仅影响到汽车的舒适性,更直接影响汽车的行驶安全性。而暖风散热器的合理设计是汽车舒适度及汽车除霜的必要保证。

传统的暖风散热器设计主要依赖于积累的经验及反复的试验验证。该方法的不足之处在于:设计没有理论依据,而需要借助大量的试验验证。导致设计周期长,试验费用高,设计不合理且可靠性差[1]

。利用计算流体力学(CF D )分析技术,用数学模型代替传统的设计方法和反复试验进行研究,可以明确研究方向,缩短研制周期,大大减少反复试验造成的时间和金钱浪费。

CF D 技术在汽车换热器设计中得到了大量的应

用。文献[2]采用F LUE NT 和modeFRONTI ER 耦合计算,得到了换热器水侧的流动情况,对进出水管进行了设计优化,以期达到流量分配均匀和减小流阻的目的;文献[3]对水箱水侧流场进行了CF D 分析,并对扁管内的水流分配进行了优化设计,还采用F LUENT 中的换热器模型(NT U 模型)对冷凝器进行了数值分析,并通过试验验证了风阻曲线;文献[4]利用F LUENT 软件分析了汽车暖风散热器中的空气流动和传热过程,研究了翅片间距、高度等因素对气流温度、传热系数等的影响,但未做全模型计算分析。这方面的研究还有很多

[5-8]

,都利用CF D 方法

对各种换热器进行了数值分析,模型具有一定精度与可靠性,但都属于针对某一细节的数值研究。

从现阶段的研究成果来看,CF D 技术在汽车换热器上的应用主要集中在2个方面:(1)研究翅片间距、高度及开窗角度等细节设计对换热器性能的影响,更侧重于强化传热这方面的研究;(2)将换热器简化成NT U 单元或多孔介质单元,主要是在整车热

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管理的计算中作为边界条件给定。此方法需要大量的试验数据支撑,且仅在流场分析中表现优越,而在温度场分析方面相对误差比较大,计算结果可信程度不高。文中通过CF D 方法从整体的角度研究车用暖风散热器的传热与流体流动特性,为换热器的优化设计提供参考。

1　暖风散热器工作原理

暖风散热器是轿车热系统的一部分,布置在车内暖风空调箱(HVAC )中,蒸发器后部。空气侧:空气在HVAC 中被暖风芯子加热,经过风道系统,从吹面/吹脚/除霜风道出风口吹出,用于车内取暖或除霜除雾;水侧:热水从轿车发动机水箱引入。汽车冷却系统工作原理如图1所示

。

图1　汽车冷却系统工作原理图

2　数学模型

在数值计算中完全反映结构细节有一定难度,

而且也不是一种经济合理的方法。权衡计算机资源、时间与计算结果的精确度,对暖风散热器CF D 分析模型作了必要的简化。为真实反映暖风散热器的换热情况,将暖风散热器扁管纳入了计算域,并考虑了水侧和空气侧的流动换热。由于暖风散热器空气侧扁管间充满了翅片,一方面使得空气在暖风散热器中的流动空间减小,另一方面极大地阻碍了空气的流动,因此可以引入多孔介质模型的概念,将暖风散热器视为多孔介质,空气在暖风散热器中的流

动看成是多孔介质内的流动。根据Darcy B ricnkman

f orchhei m er 多孔介质模型[9]

,将模型作如下假设:

(1)将翅片组成的暖风散热器空气侧空间视为一多孔介质,采用容积孔隙度β描述翅片的存在,β是空气所拥有的空间占总控制容积的比率;

(2)考虑翅片存在对空气流动的阻碍作用,采用分布阻力R i 的概念计算暖风散热器的压降;

(3)假定暖风散热器两侧的流动与传热是稳定的;

(4)两侧流动雷诺数R e 都大于2300,属于完

全紊流流动。

采用CATI A V5R17建立暖风散热器的简化CAD 模型,如图2所示

。

图2　暖风散热器分析C AD 模型

采用RNG k 2ε模型进行描述,通用控制方程为div (ρV <)=div (Γgrad <)+S 式中<为通用变量;Г为对应于<的广义扩散系数;S 为对应于<的广义源相;ρ为流体密度;V 为流体体积。

各参数定义参考F LUENT 帮助文件说明,各常

数值取F LUENT 中推荐默认值[9]

。

因多孔介质模型中的换热需要,对以上的标准能量方程作一些特别处理。在多孔介质模型中,热

传导系数的确定需要考虑多孔介质孔隙率的影响,修正后的方程为

99t

[γρf E f +(1-γ)ρs E s ]+ [ν→

(ρf E f +p )]= [k eff T -(∑i

h i J i )+(τν→

)]+S h f

式中E f 为总的流体能量;E s 为总的固体能量;γ为多孔介质孔隙率;k eff 为多孔介质的有效热传导系数;

S h

f 为流体焓源项;ρf 为流体密度;ρs 为固体密度;p

为压力;T 为温度。

多孔介质中的有效热传导系数k eff 是流体热传导系数与固体热传导系数的线性叠加,即

k eff =γk f +(1-γ)k s 式中k f 为流体热传导系数;k s 为固体热传导系数。

而此处的k f 和k s 两个热传导系数通过UDF 函