車用翼型熱管散熱器參數化分析與模型研究*

王志濤，王 棟，劉佳鑫,3，龍海洋，李耀剛，張 碩

(1.華北理工大學 機械工程學院，河北 唐山 063210；2.唐山圓方機械設備有限公司，河北 唐山 064000；3.華中科技大學 能源與動力學院，湖北 武漢 430074)

0 引言

隨著工程車輛的廣泛應用，車輛的工作負荷也越來越大，對散熱系統進行分析研究，以保證車輛有良好的散熱，對于車輛安全可靠運行有著重要作用。

國內學者秦四成等[1]對工程車輛機罩進行了改進，從而提高了散熱器模塊的性能；黃曉明等[2]通過不斷改變翅片參數，對自然對流情況下的散熱器進行仿真分析，提出了翅片優化原則；趙駱偉[3]利用整車的散熱數據對散熱器組進行了改進研究；劉佳鑫等[4]對散熱器進行了多方面的研究；董軍啟等[5]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行了分析；肖寶蘭等[6]分析了散熱器各參數對其散熱和流動性能影響的大??；劉曉[7]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。國外學者在提高散熱器性能方面做得研究相對廣泛，Ahmed S A等[8]利用TiO2水納米流體增強散熱器的散熱性能；Vaelikangas T等[9]通過添加渦發生器達到增強散熱器整體性能的目的。

本文針對國內某型號工程車輛，利用CFD(Computational Fluid Dynamics)對其不同熱管和翅片布置下的散熱器單元進行仿真分析，并對仿真與實驗數據進行對比分析，從而為翼型散熱器進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

在已有研究的基礎上，根據廠商提供的結構參數，利用UG NX 8.0建立某工程車輛的管片式散熱器模型。

散熱器主要由進水室、出水室和芯體這三部分組成，芯體為管式散熱器的主要結構。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，芯體的具體結構參數如表1所示。

圖1 管片式散熱器芯體模型

表1 散熱器芯體結構參數

1.2 CFD網格劃分以及邊界設置

利用ANSYS進行網格劃分，此處采用混合網格對模型進行網格劃分；同時，在邊界層起始位置將結構性網格按比例縮放，直至覆蓋整個翅片，翅片網格劃分如圖2所示，網格劃分數量約為200萬。

圖2 翅片網格劃分

為了便于研究，將熱管側邊界設置為恒溫，為了得到穩定的氣流，將單元體前后分別延長，翅片單元體邊界設置如圖3所示。

圖3 翅片單元體邊界設置

1.3 試驗驗證

在Fluent中進行流體動力學仿真分析，為了驗證模型的準確性，在出、入口截面處布置溫度以及風速傳感器，將所得數據換算成換熱系數與壓力損失。圖4、圖5分別為壓力損失與換熱系數實驗數據和仿真結果的對比，從圖中可以看出二者擬合較好，因此可知該模型是準確的。

圖4 壓力損失對比 圖5 空氣側換熱系數對比

2 翼型熱管散熱器參數對性能的影響

2.1 翅片結構參數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)，前后兩排熱管數差1；順排是指兩排熱管位置前后對齊，前后兩排熱管數相等。對叉排與順排的散熱器芯體模型進行仿真分析，結果如圖6所示。從圖6可以看出，當氣體流速達到12 m/s時，叉排散熱器的換熱系數高出順排散熱器的換熱系數22.4%。究其原因主要是因為叉排散熱時，熱管在兩側交替持續散熱，換熱效率高。

圖6 叉排與順排布置換熱系數對比 圖7 管排數對換熱特性的影響

2.1.2 管排數對散熱器換熱特性影響分析

管排數為芯體厚方向上管的數量，本文分析時選定管排數分別為3、4、5，仿真結果如圖7所示。從圖7可以看出，換熱系數隨著散熱器管排數增加而增大。究其原因是管排數的增多實際上是增加了換熱通道，因此管排數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9 mm、14 mm、19 mm，仿真結果如圖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。

圖8 不同管長徑對換熱特性的影響 圖9 叉排與順排阻力特性對比

2.2 翅片結構參數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果如圖9所示。從圖9可以看出，當氣體流速達到12 m/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 管排數對散熱器阻力特性影響分析

管排數對散熱器阻力特性影響仿真分析結果如圖10所示。從圖10可以看出，當氣體流速達到12 m/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，實際應用中應酌情考慮。

圖10 管排數對阻力特性的影響 圖11 管長徑對阻力特性的影響

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果如圖11所示。從圖11可以看出，在高流速狀態下，19 mm的管長徑壓力損失較大，在流速12 m/s時，19 mm的管長徑的散熱器比9 mm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，導致壓力損失呈非線性增長。

3 結論

(1)對模型進行仿真并與實驗數據對比驗證，二者數據擬合較好，可知該模型是準確的。

(2)在對翼型散熱器的結構改進優化時，管列、管排間距增大對散熱器的散熱性能提升最為明顯，但其增大會對壓力損失有一定的影響，故在實際工程車輛中應用時應綜合考慮。