（机械电子工程专业论文）微型汽车散热器百叶窗翅片性能研究与优化设计.pdf

独创性声明 本人声明，所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作 及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地 方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包 含为获得武汉理工大学或其他教育机构的学位或证书而使用过的材 料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作 了明确的说明并表示了谢意。 n 签名：到日期：卫丝：丛车 学位论文使用授权书 本人完全了解武汉理工大学有关保留、使用学位论文的规定， 即学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子 版，允许论文被查阅和借阅。本人授权武汉理工大学可以将本学位 论文的全部内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或 其他复制手段保存或汇编本学位论文。同时授权经武汉理工大学认 可的国家有关机构或论文数据库使用或收录本学位论文，并向社会 公众提供信息服务。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 研究生( 签名) ： 毽蜩导师黥譬滤醐渺、订 剐任坡 一“ 摘要 翅片是散热器的重要组成部分，它构成了散热器的二次传热，翅片性能的 好坏直接关系到散热器的散热性能和阻力性能。百叶窗翅片因其高效的传热表 面而被广泛的应用于微型汽车行业的散热器之中。国外对百叶窗翅片性能的研 究起步较早，早期主要是流动机理研究，后来发展到性能研究。国内对这方面 的研究不多，对微型汽车散热器翅片的研究则更少，导致微型汽车散热器的选 型缺乏足够的数据支持，因此针对某款微型汽车散热器的百叶窗翅片，本文采 用试验与仿真相结合的方法，分别研究其阻力性能、散热性能与使用工况的关 系，两种性能分别与翅片关键尺寸的关系，以期进行性能与结构优化。研究的 内容与结果对该款汽车的百叶窗设计具有实用价值，并对微型汽车散热器性能 的提高具有一定的理论意义。 本文的工作主要包括以下几点： ( 1 ) 对某款微型汽车散热器进行风筒试验，获得散热器风侧性能与使用工 况的关系，具体包括压力差与空气流速的关系式，散热量与空气流速的关系式。 将它们转换成翅片的性能，并进行无量纲化处理，得到翅片摩擦因子与雷诺数 的关系式，传热因子与雷诺数的关系式。 ( 2 ) 运用流体分析软件f l u e n t 对翅片进行数值分析，模拟风筒试验中翅片 的工作状态。得到各试验工况下，翅片处空气的压力场、速度场和温度场的分 布。与试验结果对比得出：模型对阻力性能的预测，误差在1 3 以内；对散热 性能的预测，误差在1 7 以内。 ( 3 ) 对该系列微型汽车散热器翅片的翅片高度和翅片问距分别进行尺寸优 化。在使用范围内，对翅片高度和翅片间距各取5 个尺寸参数，分别进行建模 和数值分析。获得摩擦因子分别与翅片间距和翅片高度的关系式，散热因子分 别与翅片间距和翅片高度的关系式。采用无量纲因子j f 3 对翅片的性能进行综 合评价，并对其进行优化。优化结果表明，当翅片间距为2 5 2 m m 、翅片高度为 8 5 m m 时翅片的综合性能最好。 关键词：微型汽车，百叶窗翅片，性能仿真，结构优化 a b s t r a c t f i ni sa i li m p o r t a n tp a r to ft h er a d i a t o r , w h i c hc o n s t i t u t e s t h es e c o n dh e a tt r a n s t e r o fm er a 【d i a t o r t h ep e r f o r m a n c eo ff i nh a sad i r e c tb e a r i n go nh e a td i s p e r s i o na n d r e s i s t a n c eo fm d i a t o r l o u v e rf i ni sw i d e l yu s e db y r a d i a t o rd e s i g n e r so fs u b c o m p a c t i n d u s t r yb e c a u s eo fi t sh i g h l ye f f i c i e n th e a tt r a n s f e r r i n gs u r f a c e f o r e i g n r e s e a r c h e s o nt l l ep e r f o n 】【1 a i l c eo fl o u v e rf i ns t a r t e de a r l i e r , t h ee a r l y t i m em a i n l yo nm e c h a n i s i l l o ff l o w a n dt h e no np e r f o r m a n c e o nt h ec o n t r a r y ，t h e r ea r ef e w s i m i l a rr e s e a r c h e sm o u rc o u l l 帆e s p e c i a l l yo ns u b c o m p a c tr a d i a t o rf i n s ，l e a d i n gt o l a c ko fa d e q u a t ed a t a s u p p o r tf o rt h es e l e c t i o n o fs u b c o m p a c tr a d i a t o r t h e r e f o r e ，t h i sp a p e rm a i m y r e s e a r c h e so nt h er a d i a t o rf i n so fas u b c o m p a c tb yt h ec o m b i n a t i o n o fe x p e f i m e n ta n d s i m u l a t i o n t h ep e r f o r m a n c ea n ds t r u c t u r e o ff i nw a so p t i m i z e dt h r o u g hs t u d y i n g r e l a t i o n sb e t w e e ni t s r e s i s t a n c ep e r f o r m a n c e ，h e a td i s p e r s i o n a n dt h es e r v l c e c o n d i t i o nr e s p e c t i v e l y , r e l a t i o n sb e t w e e nt w op e r f o r m a n c e sr e s p e c t i v e l y 砌m e s s e n t i a ls i z e s ，a s 、e l la st h eo p t i m i z m i o nd e s i g no ft h ee s s e n t i a ls i z e s t h ec o n t e n t a n dm er e s u l to ft h er e s e a r c hh a dt h ep r a c t i c a lv a l u et ot h el o u v e rd e s i g n o ft h e a u t o m o b i l e a n dw a ss i g n i f i c a n tt o t h ep e r f o r m a n c ee n h a n c e m e n to fa u t o m o b l l e r a d i a t o ri nt h e o r y t h em a i nw o r ko ft h i sp a p e ra r ea sf o l l o w s ： ( 11a na i rd u c te x p e r i m e n to fas u b c o m p a c tr a d i a t o rw a s c a r r i e do u tt oo b t a i nt h e r e l a t i o n s h i pb e t w e e nt h ep e r f o r m a n c eo ff i na n dw o r k i n gc o n d i t i o n s ，s p e c i f i c a l l y t h e r e l a t i o n a le x p r e s s i o nb e t w e e nt h ep r e s s u r e d i f f e r e n c ea n da i rv e l o c i t y , t h ec u r v e s b e t 、e e nh e a td i s s i p a t i o na n da i rv e l o c i t y t h e nt h e yw e r en o n d i m e n s i o n a l i z e d t o o b t a i nt h er e l a t i o n a le x p r e s s i o n sb e t w e e no ff r i c t i o n f a c t o ra n dr e y n o l d sn u m b e r b e 似e e nh e a tf a c t o ra n dr e y n o l d sn u m b e gr e s p e c t i v e l y ( 2 、b a s e do nt h ef l u i da n a l y s i ss o f t w a r ef l u e n t ，t h en u m e r i c a la n a l y s i s o nt h ef i n , w a sc a 玎i e do u t t os i m u l a t et h ew o r ks t a t u so ff i n i na i rd u c te x p e r i m e n t s y h e a i r p r e s s u r ef i e l d ，v e l o c i t y f i e l da n dt e m p e r a t u r ef i e l dd i s t r i b u t i o no ff i ni ne v e r y e x p e r i m e n t a lc o n d i t i o nw e r eo b t a i n e d c o m p a r e dw i t ht h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t s ，t h e e r r o ro ft h ep e r f o r m a n c eo f r e s i s t a n c eb ym o d e lw a sl e s st h a n13 ，a n dt h ee m r o f t h ef o r e c a s to ft h e r m a lp e r f o r m a n c ew a s l e s st h a n17 ( 3 ) t h es i z eo ff mh e i g h ta n df i ns p a c i n go ft h es e r i e so fs u b c o m p a c tr a d i a t o r f i n sw e r eo p t i m i z e d i nt h er a n g eo fu s e ，e a c hf i v ed i m e n s i o n so ff i nh e i g h ta n df i n p i t c hw e r ec h o s e ，r e s p e c t i v e l y , t om o d e la n dn u m e r i c a la n a l y s i s t h er e l a t i o n a l e x p r e s s i o nb e t w e e nf r i c t i o nf a c t o r sa n dt h ef i np i t c h ，a n dt h er e l a t i o n a le x p r e s s i o n b e t w e e nf r i c t i o nf a c t o r sa n df i nh e i g h tw e r eo b t a i n e d t h ep e r f o r m a n c eo ff i n c o m p r e h e n s i v e l yb yu s i n gd i m e n s i o n l e s sf a c t o rj f 驴w a se v a l u a t e da n do p t i m i z e d r e s p e c t i v e l y r e s u l t ss h o w e dt h a tt h eo v e r a l lp e r f o r m a n c ei sb e s tw h e nf i ns p a c i n gi s 2 5 2 m m f i nh e i g h ti s8 5 m m k e yw o r d s ：s u b c o m p a c t ；l o u v e rf i n ；p e r f o r m a n c er e s e a r c h ；s t r u c t u r eo p t i m i z a t i o n 目录 第1 章绪论1 1 1 散热器翅片概述1 1 2 国内外研究现状4 1 2 1 翅片性能的研究现状4 1 2 2 优化方法的研究现状6 1 3 研究的目的与意义6 1 3 1 研究目的6 1 3 2 研究意义7 1 4 研究内容7 第2 章散热器翅片试验研究9 2 1 散热器翅片试验原理9 2 2 散热器翅片试验样件9 2 3 散热器翅片试验设备1 1 2 4 散热器翅片试验方案1 5 2 5 散热器翅片试验结果分析1 6 2 5 1 数据处理1 6 2 5 2 结果分析2 1 2 6 本章小结3 0 第3 章散热器翅片性能仿真3 1 3 1 计算流体力学原理3 l 3 2 散热器翅片仿真的步骤3 4 3 2 1 几何模型的建立及简化3 4 3 2 2 划分网格3 4 3 2 2 物理模型3 6 3 2 3 物理参数3 9 3 2 4 边界条件4 0 3 2 5 模型离散与求解4 1 3 3 散热器翅片仿真结果分析4 1 3 3 1 仿真结果4 1 3 3 2 仿真与试验结果对比4 4 3 4 本章小结4 9 第4 章散热器翅片优化设计5 0 4 1 散热器翅片优化设计概述5 0 4 2 散热器翅片间距的优化设计5 3 4 3 散热器翅片高度的优化设计5 6 4 4 散热器翅片优化的效果5 9 4 5 本章小结6 0 第5 章结论与展望6 1 5 1 结论6 1 5 2 展望6 2 致谢6 3 参考文献6 4 研究生期间发表的论文6 6 研究生期间参与的项目6 7 v 一，一 一 武汉理工大学硕士学位论文 1 1 散热器翅片概述 第1 章绪论 汽车故障的5 0 左右来自发动机，而发动机故障的5 0 左右是由冷却系统 故障引起的【1 。2 l ，由此可见冷却系统在汽车可靠性和经济性中的重要作用。冷却 系统的主要功能是吸收发动机在工作过程中所产生的废热，时刻保证发动机工 作在最佳温度范围内。当发动机气缸冷却不足时，发动机的功率将会下降，润 滑油因受热而失效，各机件也会因高温导致机械强度下降。当冷却过度时，热 量散失过多，发动机的动力性、燃油经济性下降，机油粘度增大，运动件间的 摩擦阻力增大，导致磨损加剧。 散热器是汽车冷却系统中不可或缺的部件，其作用是在外界强制气流的作 用下把冷却液从高温零件所吸收的热量散发到空气中去，从而保证某些汽车零 部件的正常运行。在散热的过程中，热量经历了三次传递：从高温零件到冷却 液，从冷却液到散热器芯，从散热器芯到空气。因此，散热器性能的好坏直接 影响汽车冷却系统的散热效果，影响到汽车发动机的动力性、可靠性和经济性。 微型汽车散热器的结构如图1 1 所示，从图中可以看出，散热器由上、中、下三 部分组成：上部由上水箱和进水管组成；下部由下水箱和出水管组成；中部为 散热器芯，它由散热带和散热管组成，如图1 2 所示。 图卜1 散热器结构简图 武汉理工火学硕士学位论文 冷的冷却液从下水箱出发，在发动机水泵的作用下流经发动机气缸表面， 吸收燃油燃烧产生的废热，变为热的冷却液；然后通过进水管进入散热器，流 经散热芯部到达下水箱，在此过程中冷却液放热变为冷的冷却液，如此往复循 环。冷却液在循环的过程中经历了两次热交换，冷却液在流经气缸表面时完成 第一次热量交换，冷却液直接从气缸表面吸收热量；流经芯部的过程中完成热 量的二次交换，一部分热量由散热管传递给空气，另一部分热量由散热带即翅 片传递给空气。空气作为散热器的一种流体介质，主要任务是吸收冷却液流经 散热管时的热量，然后将热量排放到周围环境中去。空气在冷却风扇的作用下， 垂直流经散热器芯部，在这个过程中与散热管、翅片产生强制对流，同时带走 热量。 图1 2 散热器局部放大图 随着微型汽车的发展，对散热性能要求越来越高。增大散热性能的方法有 两种，增大散热面积和增大流体流速。毫无疑问，增大散热面积会导致摩擦表 面的增大，从而增大流动阻力。对于作为散热器传热表面的绝大多数流道，增 加流体的流动速度可以增加单位表面积的传热速率。经验表明，传热速率的变 化一般略低于速度的一次幂，而流动阻力随速度的变化则可以高达三次方p 训。 任何提高散热性能的措施，都会导致流动阻力的增加。在绝大多数情况下，机 械能的价格是等量热能的4 1 0 倍。因此设计者必须同时考虑传热速率和流动阻 力的需求。 微型汽车使用的散热器是气液式散热器。空气侧摩擦阻力的限制使设计者 2 武汉理工大学硕士学位论文 选择相当低的质量流速。一般采取增加空气流道数量的方式来弥补低流速带来 的流动损失。空气的低质量流速和低导热系数导致单位传热表面的低传热速率， 因此传热表面是气体流动散热器的一个典型特征。适当的增大表面密度是目前 增大气体流动散热表面的综合性能所采用的最为普遍的方法，即采用紧凑式散 热表面。而增加表面密度的一个行之有效的途径是在传热表面的两侧添加翅片 等二次传热表面。 翅片的种类有多种，常见的翅片包括普通平直翅片、波纹翅片、矩形翅片、 百叶窗翅片等，如图1 3 所示。 a ) 平直翅片 c ) 矩形翅片 b ) 波纹翅片 图1 3 常见的翅片 d ) 百叶窗翅片 百叶窗翅片是目前被认为最高效的传热表面之一，它在微型汽车行业应用 非常广泛。它的传热效率高是因为它具有问断的表面。表面突出的翅片既能明 显地减小流动方向上空气边界层的厚度，又能增强近壁处流体的扰动，从而增 大了传热效率。传热效率的增大必然以牺牲流动阻力为代价，扰流的增大和流 向的改变导致了流动阻力的急剧增加。总的来说百叶窗翅片的综合性能比较好， 它还有许多优点：结构轻巧牢固，翅片的厚度可以低于0 1 咖，结构紧凑；由 于结构紧凑，所以体积小，经济性好；百叶窗翅片的加工方式为滚动挤压成型， 武汉理工大学硕士学位论文 适合批量生产。 1 2 国内外研究现状 1 2 1 翅片性能的研究现状 翅片对冷却系统的影响主要表现为两个方面，一是翅片表面的换热系数直 接影响到散热器的散热能力，二是翅片对空气的阻力直接影响到散热器与冷却 风扇的匹配。因此对翅片主要是研究其阻力性能和传热性能，对于翅片性能的 研究，目前一般有试验法和仿真法。 ( 1 ) 翅片试验的研究现状 流体比较抽象，早期人们关注更多的是空气流过翅片时的流动情况，试图 从流体的流动轨迹找到流体的流动特性。 1 9 6 5 年，b e a u v a i s 首次采用可视化技术对百叶窗翅片进行了研究。他利用 烟气流动法对1 0 ：1 的翅片模型进行了试验。试验表明，在一定流速范围内，流 动近似平行于百叶斟5 1 。 1 9 8 0 年，d a v e n p o r t 做了一个翅片可视化流动试验。该试验得出的结论是， 百叶窗翅片的流动效率与雷诺数有关：当雷诺数较小时，流体主要沿翅片方向 流过，当雷诺数较大时，流体主要沿百叶窗流过睁7 。 1 9 9 0 年，w e b b 采用有色注射技术，对放大1 0 倍的翅片模型进行了可视化 试验研究。他比较了翅片各个尺寸参数对流动的影响，首次提出了流动效率的 经验公式叭。 1 9 8 4 年，k a y s 和l o n d o n 首次对百叶窗翅片的传热和压降数据进行了测量。 他们试图用数据来解释翅片的流动规律l 】。 1 9 9 9 年，y a nwm 等人对3 6 种不同结构尺寸的翅片进行了试验。他们得出 了雷诺数在3 0 0 2 0 0 0 时，摩擦系数、散热系数分别与雷诺数的关系，摩擦系数、 散热系数分别与空气流速的关系i l 列。 2 0 0 0 年，b u l l a r d 和k i m 对4 5 种不同尺寸( 流动长度、翅片问距、开窗角 度) 的百叶窗翅片进行试验研究。他们得到了有关传热和摩擦系数的关联式， 其误差在1 4 5 以内旧。 2 0 0 4 年，y u njh 等人对低速下不同结构参数( 开窗角度、翅片间距) 百叶 窗翅片进行了试验研究。结果表明，雷诺数在1 1 0 到8 0 0 之间时，改变翅片的间 4 武汉理工大学硕士学位论文 距比开窗角度变化对翅片的传热性能影响更大，而开窗角度变化比翅片间距变 化对翅片的阻力性能影响更大。他们引入了无量纲因子j f , 3 对翅片综合性能进 行评价【1 4 】。 2 0 0 7 年，董军启对6 7 种不同结构参数的翅片进行了试验研究。他利用非线 性回归和f 显著性检验方法对翅片进行关联拟合，得到了百叶窗翅片的传热系 数和阻力系数分别与翅片尺寸的关系式。这些关系式可以对9 0 的试验数据进 行预测，误差在1 2 以内。他利用田口方法的参数化研究思想，研究了不同的 结构参数对翅片的传热和阻力的贡献率。研究表明，翅片长度、翅片间距和翅 片高度对翅片性能的贡献率分别为3 0 左右，而开窗角度和翅片厚度的贡献率 较小，均不到5 t 1 5 6 1 。 ( 2 ) 数值计算的研究现状 随着计算机技术的发展，数值计算以其成本低、周期短等优点越来越受设 计者的欢迎。 1 9 9 8 年，a t l d n s o n 等人分别利用二维和三维模型模拟了百叶窗翅片的流动 和传热。他们发现三维模型能够模拟复杂的流动情况，其结果与试验结果吻合 比较好l j 。 2 0 0 5 年，周宇等人采用二维模型对百叶窗翅片模型进行了数值模拟。他们 得到了百叶窗翅片的温度场、速度场和流线图。通过比较四种百叶窗的倾斜角 ( 1 5 。、2 0 。、2 4 。、2 8 。) 翅片的传热性能和阻力性能，他们发现2 4 。时翅 片的传热性能最好，流过翅片空气的压降随着百叶窗倾斜角的增大而增大。他 们仿真的过程中假设翅片的温度为定值，并且忽略了翅片间的过渡圆弧引。 同年，漆波等人采用三维模型对百叶窗翅片模型进行了数值模拟。他们在 建模的过程中忽略了翅片问的过度圆弧和倾斜角，并且假设翅片的长度方向上 的流动和传热是对称的。通过比较不同尺寸参数下翅片的传热和阻力性能，他 们发现较小的翅片间距能获得较好的换热效果，但同时会增大流动阻力；较小 的百叶窗间距可以获得较好的换热效果，同时也会增大流动阻力；当百叶窗角 度为2 7 。，翅片间距与百叶窗阳j 距之比为1 2 5 时，综合性能最好【1 9 之们。 2 0 0 8 年，袁志群等人对常用百叶窗式汽车散热器的空气流动进行了数值模 拟。他们分析了其主要结构参数对空气流动特性的影响，得到的结果与试验偏 差值为4 8 9 t 引j 。 5 武汉理工大学硕士学位论文 1 2 2 优化方法的研究现状 国内外关于翅片尺寸优化的文献不多，一般有三种方式： ( 1 ) 研究翅片的某一个或某几个关键尺寸对翅片传热和流动性能的影响。 1 9 8 9 年，a o k i h 等人对不同尺寸参数( 翅片倾斜角度、翅片间距) 的百叶 窗翅片进行了传热试验。得到的结果是，在低速应用场合下，增加翅片间距会 导致传热系数减小，增大百叶窗倾斜角会导致传热系数增加，在2 8 3 0 。时传热 系数达到最大值。他们得出了尺寸变化分别对传热和流动的影响趋势，然后针 对不同的应用场合对某个性能进行优化，但缺乏对翅片综合性能的整体优化1 2 引。 ( 2 ) 采用多目标数学规划的方法，综合考虑传热和流动，对翅片尺寸进行 优化。 1 9 9 4 年，李维仲等人从能量综合利用的角度出发，用多目标数学规划的方 法研究了强化传热元件结构尺寸的最优化问题。但其权系数的确定存在较大的 难度，他在文章中仅仅假设了一个权值，并没有给出其具体的计算准则【2 3 - 2 4 1 。 2 0 0 5 年，李夔宁等人提出在相同的冷凝器迎风面积下，以最大传热量作为 目标函数来选择翅片几何参数的优化方法1 2 引。 ( 3 ) 根据翅片综合性能评价标准，考虑散热器的不同应用场合对翅片尺寸 进行优化。 2 0 0 9 年，寇磊引入综合评价因子肛对百叶窗翅片尺寸进行了优化。结果表 明，百叶窗倾斜角为2 7 。，翅片间距与百叶窗间距比值为1 2 5 - 1 5 5 时，翅片综 合性能最佳【2 6 。2 7 1 。 1 3 研究的目的与意义 1 3 1 研究目的 无论是采用试验的方法还是仿真的方法，国内外学者都对百叶窗翅片作了 详细的研究，得到了许多经验公式。这些经验公式具有较高的通用性，但是通 用性高的代价是牺牲了精度。本文从某微型汽车散热器入手，对百叶窗翅片进 行研究。本文的主要目的是对翅片进行性能分析和结构优化，主要研究目标包 括： ( 1 ) 通过散热器风简试验，获得各个工况下某款微型汽车散热器翅片的风 6 武汉理工大学硕七学位论文 阻性能和散热性能。 ( 2 ) 结合风筒实验，对翅片进行性能仿真，获得完整的翅片的仿真方案。 针对该款散热器，得到翅片处空气流的温度场、速度场和压力场分布。 ( 3 ) 针对仿真的结果，在不改变散热器安装尺寸的基础上，对散热器百叶 窗翅片的关键尺寸进行优化。 1 3 2 研究意义 ( 1 ) 实用意义 目前微型汽车冷却系统都是基于发动机设计的，也就是说给定发动机，为 其匹配散热器。在冷却系统的设计过程中，很少对与发动机有关的冷却系统部 件进行修改，因此散热器性能的好坏直接影响到发动机冷却系统的性能。本文 通过对微型汽车散热器的主要传热表面百叶窗翅片进行性能分析，来获得 散热器的风阻性能和散热性能。这些结果可以为散热器与发动机的匹配提供数 据支持，为冷却系统的设计提供依据。综合比较翅片的阻力性能和散热性能， 对翅片的结构尺寸进行优化，从而为散热器翅片的设计提供理论依据。 ( 2 ) 理论意义 本文建立了一套完整的散热器百叶窗翅片的研究、优化体系。采用仿真与 试验相结合的方法对散热器翅片进行研究，通过试验为仿真提供边界条件和结 果验证，通过仿真将试验结果推广，即以少量的成本获得大量的试验结果，并 且保证结果的误差不超过1 7 。对翅片的性能数据进行数据处理，得到若干关 于翅片的经验公式。结合翅片的经验公式，通过最优化设计方法对翅片的关键 尺寸进行优化设计。 1 4 研究内容 本文采用试验与仿真相结合的方法对某系列微型车散热器的百叶窗翅片进 行性能研究，并根据研究的结果对翅片的尺寸进行优化。主要内容分为以下三 个部分： ( 1 ) 散热器风筒试验 据j b t 2 2 9 3 1 9 7 8 汽车、拖拉机散热器风筒试验方法，选取5 个风流速 工况点进行试验【2 8 j 。本文风速的5 个工况点为，2 、4 、6 、8 、1 0 m s ，水流量的 工况点稳定在6 0 l m i n 。分别测量每个工况点下，散热器两侧空气流的温度和压 7 武汉理工人学硕十学位论文 力以及散热器两侧冷却水流的温度。根据试验结果分别绘制空气流速与空气阻 力的关系曲线、空气流速与散热量的关系曲线。将散热器的性能曲线转换为翅 片的性能曲线，并对结果数据进行无量纲化处理，得到翅片阻力系数与雷诺数 的关系，换热因子与雷诺数的关系。 ( 2 ) 翅片性能仿真 根据风筒试验的试验条件和试验结果，对散热器的翅片进行数值分析。为 了提高仿真的精度，仿真的过程中增加一些工况点。在空气侧均匀插入4 个工 况点，它们分别是3 、5 、7 、9 m s ，水流量工况固定在6 0 l m i n 。通过仿真可以 得到各个工况下，翅片处空气流的详细速度场、温度场和压力场。对比仿真结 果与试验结果，获得数值模型的仿真精度。 ( 3 ) 翅片尺寸优化 根据前人的研究结论，对翅片综合性能影响较大的三个因子分别是翅片高 度、翅片间距和翅片长度。针对这三个因数，结合某系列微型汽车散热器百叶 窗翅片，进行研究。考察该系列散热器的翅片可得，翅片的长度为定值，变化 的是翅片高度和翅片间距。为了不改变散热器在翅片长度方向的安装尺寸，本 文对翅片的间距和翅片的高度尺寸进行优化。在已知的翅片高度和间距范围内， 分别取5 组尺寸进行仿真，如表1 1 所示。将仿真的结果经过数据处理，得到阻 力系数分别与翅片高度和翅片间距的关系式，传热系数分别与翅片高度和翅片 间距的关系式。采用无量纲因子_ ，对翅片的性能进行综合评价，分别对其进 行优化。将优化后的翅片尺寸进行数值分析，获得优化后翅片的性能参数。在 同等工况条件下对该系列的三款微型汽车散热器翅片进行数值分析，比较优化 后的翅片与优化前翅片的综合性能。 表1 1 翅片的尺寸 关键尺寸翅片尺寸参数( m r n ) 翅片高度 7 07 58 08 59 0 翅片问距 2 4 2 62 83 0 3 2 8 武汉理工大学硕十学位论文 第2 章散热器翅片试验研究 翅片作为散热器的主要传热表面，其性能的好坏直接影响到散热器的传热 性能和阻力性能。散热器翅片的试验有两种方式：放大试验和原型试验。放大 试验一般用于百叶窗翅片流动和强化换热的机理研究，原型试验主要是研究其 整体传热和压降。本文旨在研究翅片的传热和阻力性能分别与散热器的使用工 况的关系，并不涉及到机理研究，因此采用原型试验。 2 1 散热器翅片试验原理 风筒试验的原理是相似性原理和相对性原理。根据相似性原理，可以将散 热器翅片的几何尺寸作等比例的放大或缩小。根据相对性原理，汽车在静止空 气中行驶时空气流经散热器翅片所产生的空气流场，与汽车静止不动时空气以 同样的速度反向吹来产生的流场一样。风筒试验有如下优点： ( 1 ) 能准确方便地控制试验条件，如气流的压力、温度、速度等； ( 2 ) 试验在室内进行，受环境的干扰较小，试验设备和试验样件的安装、 操作和使用比较方便； ( 3 ) 试验结果准确度较高； ( 4 ) 试验比较安全。 模型的设计和制造是风筒试验的关键。模型应满足如下要求： ( 1 ) 形状同实物几何相似或符合所研究问题的需要； ( 2 ) 风筒的大小能保证在模型周围获得所需的气流条件； ( 3 ) 表面状态如光洁度、粗糙度等与所研究的问题相适应； ( 4 ) 风筒有足够的强度和刚度； ( 5 ) 能满足使用测试仪器的要求，便于组装和拆卸2 9 枷1 。 2 2 散热器翅片试验样件 选取某微型汽车散热器作为试验样件，如图2 1 所示。散热器的总尺寸长、 宽、高分别为6 6 0 m r n 、4 6 m m 、4 8 9 m m 。其主体部分为散热器芯，它由5 4 根散 9 一1 武汉理t 火学硕士学位论文 热管和5 5 根散热带组成。芯部上下各有一个水箱，芯部的结构简图如图2 2 所 示，芯部的整体尺寸宽、厚、高分别为6 4 0 r a m 、1 6 m m 、4 1 5 m m 。 图2 - 2 散热器芯部简图 图2 - 3 个周期翅片结构图 1 0 i ，t i i j，f ；l；，t ：；!_；，；f，；，；-；，；l+l- ，i l，； i4“ ；，一 。4；t_：，。_ ，4 ”t l ，+，； ， ： r v 、g i、l， - 0，；， ，4 !， 3 t t ，一_ ， - - 1_ ! _ ， 口，# - ，i_，h ， ， 、 h ：，- 荔 执一 敝 二 - 图 敬 武汉理工大学硕士学位论文 本文研究的对象是组成散热带的百叶窗翅片，取一个翅片周期，其三维结 构图如图2 3 所示，具体的结构尺寸图如图2 - 4 所示。翅片的主要结构尺寸包括 翅片长度l d ，翅片厚度艿，翅片间距，百叶窗间距三，百叶窗宽度厶，百 叶窗角度。，翅片高度吒，百叶窗过渡区长度l g 。本文所研究的散热器翅片尺 寸如表2 1 所示。 表2 1 翅片尺寸 翅片翅片翅片翅片百叶窗百叶窗百叶窗过渡区 长度高度间距厚度宽度角度间距长度 参数 lef d 8 厶三。三。 n 】mm mm mn l mn u nm m n l m 尺寸 1 67 52 80 0 76 23 20 91 1 ( l ( l 。| f p 翅片 百叶窗 图2 4 翅片结构尺寸示意图 2 3 散热器翅片试验设备 如图2 5 所示，风筒试验仪主要由空气侧和水侧两部分组成。水侧采用加热 的方式为散热器提供热源，它主要由水流量测量仪、温度计、水泵、水管、加 热装置等组成。通过调节水泵和加热装置来控制散热器的水侧工况。空气侧采 用人造空气流道的方式为散热器提供冷介质，它主要由风筒、风速测量仪、温 度计、风阻测量仪和风机组成。风筒提供流道，风机提供动力，在风筒和风机 的共同作用下，形成了流过散热器的空气流。通过调节风机的转速来控制散热 器的空气侧工况。风筒中含有整流网和整流栅格，它们的作用是调节流动质量， 使空气流更加均匀、平稳。 武汉理工大学硕士学位论文 图2 5 风筒试验仪简图 风筒的入口处有一个进风集流器，它的形状采用双扭曲线，其曲线方程为 ，2 = a 2c o s 2 0 a = 0 8 d 式中：d 为风筒的关键尺寸，l l l m ； r 为曲线上的点到圆心的距离，其取值范围为【o ，a 】； 目为r 与a 的夹角，其取值范围是【0 ，4 5 。】，如图2 - 6 所示。 图2 - 6 进风集流器曲线图 1 2 ( 2 1 ) ( 2 2 ) 武汉理工大学硕士学位论文 散热器的尺寸比较大，呈方形，因此本文选择长方形截面的大风筒，其关 键尺寸d ：半，其中a 和b 分别为风筒截面的高度和宽度，本文风筒的尺寸 2 a 为7 0 0 m m ，b 为5 0 0 m m 。风筒的内壁面要保证光滑、平整，各连接处必须密 封，不能漏气。 整流网和整流栅格的作用是调节流体的流动质量，使空气的流动更加均匀、 平稳。整流网采用3 层2 4 目铜丝网，每层间距为1 0 0 m m ，整流栅格每格的尺寸 为1 0 0 x1 0 0 m m 。 散热器芯部的宽度和高度尺寸与风筒截面尺寸的比例在0 8 1 2 之间。散热 器样件夹在前风筒和后风筒之间，由两个过渡段与风筒连接。两个过渡段分别 是扩散的过渡段和收敛的过渡段。扩散过渡段的扩散角秒不大于8 。，如图2 7 ( a ) 所示；收敛过渡段的收敛角万不大于1 5 。，如图2 7 ( b ) 所示。 专哥 吾一 扩散角 e 8 。 ( a ) 图2 7 风筒过渡段示意图 收敛角 6 1 5 。 ( b ) 风机的风量保证散热器前面的最大风速大于1 0 m s ，通过调节风机的转速、 开风窗、装挡风板等方法调节空气流速。 加热装置采用电热管加热，其功率大于散热器的散热能力。加热水槽和水 管采用绝热材料，它可以减少热量耗散。水槽的容量为0 7 m 3 ，以保证试验时水 温稳定。 风速测量采用毕托管：当风速大于等于6 m s 时，配用最d , n 度值为l m m 的 倾斜式微压计；当风速小于6 m s 时，配用最小刻度值为o 0 1 m m 的补偿式微压 计。毕托管安装在进风集流器后的稳流段，距过渡段约4 0 0 m m ，毕托管的轴位 于风道的中心，与气流方向的倾斜角小于等于5 。 水流量的测量采用文式管配合最小刻度为l m m 的u 形管汞柱压差计进行测 量。通过调节水泵来将水流量固定在6 0 l r a i n 。 风温测量采用刻度值为0 2 c 的热电阻温度计，安装在靠近散热器芯部的入 武汉理工大学硕士学位论文 口区域，距过渡段约2 0 0 m m ，在风筒中呈锯齿形分布，如图2 8 所示。 水温测量采用刻度值为0 1 的温度计。它安装在靠近进出水管处，安装方 式如图2 - 9 所示。 j i，t t t ，i ，l ， l，lili，lfl， fjiii，i，i t l l ，iff ， ， i ， fi ，f yvv1|，vv 图2 8 空气侧热电阻温度计的安装示意图 图2 - 9 水侧温度计的安装示意图 风阻测量采用刻度值为l m m 的微压计，安装在距过渡段4 0 0 m m 的两端。 从图2 5 中可以看出，风筒的中心轴距地面应大于l m ，且集流器的下边缘 距离地面应大于d ，本文选6 5 0 m m 。前段风筒的长度大于4 d ，本文选择3 0 0 0 m m 。 整流网与进j x _ i , n 的距离为d 2 左右，本文选3 0 0 m m 。整流栅格与散热器的距离 本文选l7 0 0 m m 。前后端风阻测量仪分别安装在距散热器两端d 左 本文选6 0 0 m m 。毕托管安装在整流网和散热器之间，与散热器距离 文选8 0 0 m m 。前后两端的空气温度测量仪，分别安装在毕托管与散 距散热器4 0 0 m m 处。 1 4 武汉理工人学硕士学位论文 2 4 散热器翅片试验方案 将5 个空气流速工况点和1 个冷却水流量工况点进行组合，得到5 个组合 工况点。对这5 个工况点进行编号，如表2 2 所示。分别记录翅片两侧空气的压 力差、温度差以及冷却水的温差等数据。气液总温差定为6 0 ，允许在5 的范围内波动。每个工况的进水温度波动不超过o 2 ，每个工况点测定三次， 三次测出的进出口冷却水温差值不能大于o 1 ，否则试验重做。 表2 2 风筒试验工况编号 空气流速m s 风筒试验 24681 0 工况点编号 12345 热平衡误差是指冷却水释放的热量与空气吸收的热量的差值与冷却水放热 量的比值。 刁= 警 3 ) 若试验的过程中热平衡误差的值在4 - 5 以内，则认为散热器风筒试验的结 果可以接受。 q w = g 。c & 。 ( 2 - 4 ) q = g o 锄，。 ( 2 5 ) 式中：c 是冷却水的定压比热容，k j k g ； c p 口是空气的定压比热容，k j k g 。 总散热系数u 可由下式求得： 吣患 式中：彳是空气侧总散热面积，m 2 ： m 是液气平均温差，。 ( 2 6 ) 图2 1 0 散热器芯部压降分布图 1 6 一 厶 口 入 武汉理： 二大学硕士学位论文 入1 3 压降由两部分组成，分别是流体流动面积引起的压降和突缩区域不可 逆自由膨胀引起的压降。入1 3 压降可由如下经验公式表示： 些=芸(1)托丢(2-10)p 2 9 。、 7 2 9 。 式中：北是入口压力降，p a ； p 是空气的密度，k g m 3 ； g 。是牛顿第二定律比例系数，无量纲，取1 ； v 是芯部入1 2 1 处空气流动速度，m s ； k ，是突缩段不可逆过程引起的压力降低系数； 仃是芯部自由流通面积与迎风面积之比，取一个翅片周期来计算，翅片 的自由流通面积约为2 8 7 5 6 = 2 1 1 6 8 m m