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汽车管带式散热器仿真设计方法的研究

数控产品网 www.cncproduct.com   2014-06-19   来源:网络转载   阅读:692次

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°~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。

1 仿真设计方法的研究

    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CFdesign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

    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CATlA中建立了局部散热器的三维模型,如图l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。

图1 在CATIA中建立的模型 

图1 在CATIA中建立的模型

    图2为将在CATIA中建好的三维模型导入计算软件CFdesign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2 导入到CFdesign后的模型 

图2 导入到CFdesign后的模型

    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570mm/s,温度为86.33℃;空气入口流速为6050mm/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

    在模型计算与试验数据验证符台要求的基础上,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。

    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3.65kg/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12.1808Pa,比20°时多43.9825Pa,即空气侧的压降随着开窗角度的增大而增加。

图3 不同开窗角度所对应的空气压力分布 

图3 不同开窗角度所对应的空气压力分布

 (2)开窗角度对温度的影响

    图4为外部空气质量流量为3.65kg/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按热效果也增加。

图4 不同开窗角度所对应的空气温度分布 

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为空气质量流最为3.65kg/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。

图5 开窗20°和开窗23°时的整体速度切片 

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。空气质最流量为1.13kg/s时,不同开窗角度的对流换热系数情况如图6所示。

图6 不同开窗角度时的对流换热系数 

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

    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。

图7 在CATIA中建立的模型 

图7 在CATIA中建立的模型

图8 导入到CFdesign的模型 

图8 导入到CFdesign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。

    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9 整体仿真结果 

图9 整体仿真结果

    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口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。

    散热器压力场分布如图10所示。由图10可见:由于多孔介质区域的摩擦阻力作用,冷却空气会在进出散热器前后产生压力差。

图10 散热器压力场分布 

图10 散热器压力场分布

  图11为不同空气质量流量下散热器温度场分布情况。由图11可见:随着外部冷却空气流量的增加,强制对流换热作用明显增强,使散热器出水口的温度也逐渐降低,这与试验数据相吻台,再次验证了仿真计算的准确性。

图11 不同空气质量流量下散热器的温度场分布 

图11 不同空气质量流量下散热器的温度场分布

1.3仿真算法验证

    不同空气质量流量下散热器台架试验数据与仿真计算数据的对比见表1。结果表明:试验数据与仿真计算数据十分接近,最大误差为2.91%,符合工程计算要求,从而验证了仿真计算方法的正确性。

表1 试验数据与计算结果的误差比较 

表1 试验数据与计算结果的误差比较

    分析数值模拟计算与试验数据产生偏差的原因。一方面是试验数据本身存在误差;另一方面是模型简化所带来的误差。该算法计算精度满足工程实际的需要,可以应用于分析散热带不同开窗角度对换热系数和空气流动阻力的影响。

2 结论

    (1)使用软件CFdesign对散热器流场和温度场进行了仿真计算,得到了散热单元流场的内部流动细节和散热器整体的换热数据。经过验证在允许误差范围之内,说明本文方法是可行的。

    (2)从压力、温度和空气速度三方面分析了散热片开窗角度对其换热性能的影响,最终得出开窗角度为23°时对流换热效果最好。

CncProduct.Com(编辑:小朱)
本文标签(Tag)散热器 仿真设计
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