（热能工程专业论文）发动机冷却系统匹配设计及动态特性仿真.pdf

江苏大学硕士学位论文 摘要 近年来，随着计算机技术的发展，利用计算的方法来解决工程问题得到了越 来越广泛的应用，采用计算机数值模拟的方法来解决发动机冷却系统的设计方面， 也有了长足的发展。目前，国外对发动机冷却系统的设计普遍采用了数值模拟程 序，而国内汽车冷却系统设计工作主要是凭借经验设计和大量的对比试验。近几 年在计算机模拟方面的工作进展很快，相继出现了一些数学模型和计算方法，大 大减少了冷却系统匹配设计的工作量。 本文研究的主要内容是根据扬州通顺散热器厂提供的实验数据，用s p s s 软件 采用多重非线性回归分析的方法拟合出适合厂家散热器的j 、f 因子模型来预测散 热器的传热和流动阻力特性，并对模型的可靠性进行了验证；采用温度效率一传 热单元系数法在m a t l a b 中编制了发动机冷却系统散热器选型设计的计算程序，为 散热器的选型设计提供参考；同时建立了发动机冷却系统动态特性仿真模型，在 s i m u l i n k 中实现了对汽车在不同运行工况( 启动、加速、减速、稳定运行) 下 的动态特性仿真，得到了冷却系统出水温度随时间变化的特性曲线，为冷却系统 的进一步优化设计提供依据。 关键词：冷却系统；动态特性；仿真；计算程序 江苏大学硕士学位论文 r e c e n t l y , t h e r eh a sap h e n o m e n a li n c r e a s ei nt h eu s eo fc o m p u t a t i o n a lm e t h o d sf o r e n g i n e e r i n ga p p l i c a t i o n s w i t ht h e d e v e l o p m e n t o f c o m p u t e rt e c h n i q u e s , a n d m a t h e m a t i c a lm e t h o d so nd e s i g n i n ge n g i n ec o o l i n gs y s t e mh a db e e nr a p i d l yd e v e l o p e d a tp r e s e n t , t h en u m e r i c a ls i m u l a t i o nm e t h o dh a sb e e n u s e dt od e s i g nt h ee n g i n ec o o l i n g s y s t e mo v e r s e 勰b u tt h ed o m e s t i cc a rc o o l i n gs y s t e md e s i g n e rm o s t l yr e l i e so nt h e e m p i r i c a ld e s i g na n dt h em a s s i v e c o n t r a s te x p e r i m e n t i nr e c e n ty e a r sw i t hd e v e l o p m e n t o ft h ec o m p u t e rs i m u l a t i o n , s o m em a t h e m a t i c a lm o d e l sa n dt h ec o m p u t a t i o n a lm e t h o d a p p e a r e do n ea f t e ra n o t h e r ，g r e a t l yr e d u c e dt h ec o o l i n gs y s t e mm a t c hd e s i g n i n gw o r k 1 0 a d i nt h i sp a p e r , a c c o r d i n gt ot h ec x p e n m e n td a t ap r o v i d i n gb yy a n g z h o ut o n 庐h u n r a d i a t i o ne q u i p m e n tf a c t o r y , w eu s e dt h em u l t i p l en o n - l i n e a rr e g r e s s i o na n a l y s i sw i t h t h es p s ss o f t w a r et of i tt h ej ，ff a c t o rw h i c hc a nf o r e c a s tt h eh e a tt r a n s f e ra n dt h ef l o w r e s i s t a n c ec h a r a c t e r i s t i c t h e ni t sc r e d i b i l i t yw a sp r o v e dt h r o u g ht h ee x p e r i m e n td a t a a p p l y i n gt h eb 硼，m e t h o dw ee s t a b l i s h e dt h ed e s i g n i n gc o m p u t a t i o n a lp r o c e d u r e a b o u t s e l e c t i n gr a d i a t o ro fe n g i n ec o o l i n gs y s t e mi nm a t l a b ，p r o v i d i n gt h er e f e r e n c e f o rt h er a d i a t o rs e l e c t i n gd e s i g n s i m u l t a n e o u s l yw eh a de s t a b l i s h e dt h ed y n a m i c c h a r a c t e r i s t i cs i m u l a t i o nm o d e lo ft h ee n g i n ec o o l i n gs y s t e m ，t h e nc a r r i e do u tt h e d y n a m i cc h a r a c t e r i s t i cs i m u l a t i o no f 伽u n d e rt h ed i f f e r e n tm o v e m e n to p e r a t i n gm o d e ( s t a r t i n g , a c c e l e r a t i n g , d e c e l e r a t i n g , s t a b l em o v e m e n t ) w eo b t a i n e dt h ev a r i a t i o n c h a r a c t e r i s t i ce n r v ea b o u tt h ec o o l i n gs y s t e mw a t e rl e a k a g et e m p e r a t u r ea l o n gw i t ht h e t i m e o u rw o r kp r o v i d e st h eb a s i sf o rf u r t h e ro p t i m a ld e s i g no ft h ec a rc o o l m gs y s t e m k e y w o r d s ：c o o l i n gs y s t e m , d y n a m i cc h a r a c t e r i s t i c , s i m u l a t i o n , c o m p u t a t i o n a lp r o c e d u r e 江苏叁堂堡主堂堡垒墨一 一一一 符号说明 4 流体的流通截面积 屯最小自由流通面积 口芯宽 c p 定压比热容 d 。气侧当量直径 i l 水侧当量直径 ，传热面积 e 气侧传热面积 日翅片宽度 昂翅片间距 凡水侧传热面积 ，摩擦因子 日芯高；水管长 矗换热表面换热系数 删波商 水管数目 ， 表面传热因子 甄入口压力损失系数； k 。出口压力损失系数 l从第一管排前缘至紧接着最后排管的管 排( 属另外管排) 前缘之间的当量流动长 度，空气流道长度 五h 百叶窗的高度 l l 百叶窗的宽度 l p 百叶窗间距 m 。空气质量流速， “努谢尔特数 p 芯厚 p r 普朗特数 q 传热量 q 一质量流量 吼体积流量 r e 雷诺数 r 。工，以百叶窗的间距为特征尺寸的气侧雷 诺数 & 斯坦登数 t传热介质的温度 乃 水管横截面的长 l 水管横截面的宽 。冷却空气进口温度 2 冷却空气出口温度 。冷却水进口温度 f 以冷却东出口温度 0 翅片表面平均温度 f w 壁温 u 湿周边或热周边长 1 ，波距 a 只气侧阻力 加m 对数平均温差 哦风道的总阻力，即全气路阻力 v 江苏大学硕士学位论文 2 妒l 风道内的空气阻力 z l 峨散热器内的空气阻力 5 f 鼹肯碍睦 r j , 翅片效率 r o 翅片表面的总效率 0 百叶窗倾角 五 导热系数 动力粘度 p 运动粘度 p 密度 成一r ，成一一空气进出、口密度： 以一一空气的平均密度， 盯 最小自由流通面积与来流迎面面积之比 m 传热介质的载热能力 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规 定，同意学校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。本人授权江苏大学可以将本学位论 文的全部内容或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影 印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 本学位论文属于 保密口，在年解密后适用本授权书。 不保密匦 学位论文作者签名寸槲 蚓年6 月l 牛日 指导教师签名：薹蝰e 袁 叼年6 只l 姬 独创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下， 独立进行研究工作所取得的成果。除文中已注明引用的内容以外， 本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。 对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式 标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位敝作者签名才缝群 日期：川年z 月f 4 l 日 江苏大学硕士学位论文 1 。1 课题的应用背景 第一章绪论 冷却系统的冷却效果是否好，功率消耗是否低，可以从如下三个方面来衡量： 一是发动机本身结构的合理性，是否能在保证发动机可靠性与性能的前提下，尽 可能减小对散热的要求，包括发动机冷却水套的结构，冷却气流的通风条件，排 气管的安装位置等。二是冷却系统各部件设计是否合理高效，研究工作包括散热 器结构的改进，水泵叶片结构的改进，风扇效率的提高等。三是冷却系统各部件 的匹配是否合理【1 1 。前两类工作的意义是无可置疑的，国内外学者在这两方面已付 出了艰辛的劳动，并获得了丰硕的成果，然而第三类工作由于难度大，进行全面 实用性研究的人很少，而这部分恰恰对冷却系统性能有很大的影响。因此还有很 大的研究余地和开发前景。 发动机的冷却问题，不仅仅是发动机本身和各部件的设计问题，即使上述两 方面设计得非常完善，如果各部件匹配不合理，同样不能取得好得冷却效果。匹 配问题包括两大类：一是冷却系统各主要部件参数及结构参数之间得匹配。这些 参数包括风扇流量、水泵流量、散热器芯子厚度和片距等闭。比如说：衡量散热器 性能好坏的是传热系数k 的大小，而k 大小又与空气流量、水泵流量以及散热器 机构参数有关。当散热器结构一定时，随着风量和水流量变大，k 值会增加，散 热效果变好；但相应的空气阻力、水流阻力也会增加，因而消耗的功率也将增大。 另外，如果散热器芯子厚度、片距的改变，则风阻的大小、传热面积大小都会改 变，也会影响散热效果【3 l 。 匹配的第二类是冷却系统各部件整体结构设计与布置上的合理匹配。例如：风扇 叶轮前后的流动情况在发动机上和不在发动机上大不一样，因此我们在风扇结构设计 上还必须考虑到这些特点，以便风扇与发动机及冷却系统有很好的匹配。 认识了匹配特性的重要性，我们就必须采取措施来寻求它们之间的合理匹配。 为什么现在不少发动机冷却系统冷却效果差、功率消耗高，最重要的一点是在冷 却系统的设计方法上仍沿用传统的经验和半经验法。应当承认，在传统的设计方 法中，有若干热力参数和技术参数是在一定的经验范围内来选择的，这些范围是 人们长期设计经验和综合各方面因素的总结，是有一定道理的。但是，影响这些 参数的因素相当复杂，它不仅受到设计要求、换热元件的特性( 阻力特性、热力 1 江苏大学硕士学位论文 特性、几何特性) 等确定因素的影响，而且还受待定参数相互之间甚至人为因素 等不确定因素的影响【4 l 。因此，设计人员在用传统方法来选择参数时，要寻求各参 数及部件之间的合理匹配是比较困难的，往往要经过若干次试算，最后仍然不一 定取得满意效果。本文的目的是寻求设计出一个既能满足汽车冷却系统的冷却要 求又能适应厂家( 扬州通顺散热器厂) 散热器性能要求的冷却系统为目标，并在此基 础上对冷却系统进行动态特性仿真。 1 2 发动机冷却系统概况嘲 发动机冷却系统一般按传热介质来分类，可以分为以水为传热介质的水冷型 冷却系，以空气为传热介质的风冷型冷却系，以油为传热介质的油冷型冷却系。 现今，汽车、拖拉机等普遍采用水冷型冷却系。 1 2 1 水冷型冷却系 这也是目前世界上使用最广泛的冷却系。它由水套、水泵、水散热器、风扇、 冷却风道及相应的管路组成。其中，传热介质( 水) 由水泵驱动，进行强制循环 流动。冷却水所流经的部件一水泵、发动机水套、水散热器、调温器及管道等， 构成系统的水循环路径，称为水循环系，简称水系。冷却空气所流经的通道构成 系统的冷却风道。散热器的水管属于水系，散热翅片则属于冷却风道。水系和风 道就是构成水冷式冷却系的两个基本的子系统。 水冷型冷却系的基本构成如图1 1 所示。 4，z1l j1 2 l l 图1 1 水冷型冷却系统 1 一冷却水泵；2 一风扇皮带轮( 主动) ；3 一发动机( 水套) ；4 一变速轮；5 一风扇驱动皮带； 6 一风扇皮带轮( 被动) ；7 一调温器；8 一冷却风扇；9 一加水口；1 0 一溢水管；l l 一进气卣叶窗； 1 2 一水散热器；1 3 一放水阀； 图l 一1 所表示的结构，是用于一般汽车、拖拉机和工程车辆等车辆上的水冷 型冷却系。其结构比较简单，水系阻力较小。发动机通常安装在车辆的前部，散 热器多采用立式安装，置于发动机的前面。轴流式风扇布置在散热器的后面。这 种布置的优点是充分利用了迎风气流。 2 江苏大学硕士学位论文 1 1 2 2 水循环系统 目前，汽车发动机上采用的冷却系统大都是强制循环式水冷系，利用水泵强 制水在冷却系中进行循环流动。散热器内的冷却水加压后通过气缸体进水孔压送 到气缸体水套和气缸盖水套内，冷却水在吸收了机体的大量热量后经气缸盖出水 孔流回散热器。由于有风扇的强力抽吸，空气流高速通过散热器。因此，受热后 的冷却水在流过散热器芯的过程中，热量不断地散发到大气中去，冷却后的水流 到散热器的底部后又被水泵抽出，再次压送到发动机的水套中，如此不断循环， 把热量不断地送到大气中去，使发动机不断地得到冷却。 冷却水在强制循环水冷系统中的流动如图1 2 所示： 图1 2 冷却液在强制循环水冷系中的流通 1 一百叶窗；2 一散热器；3 一散热器盖；4 一风扇；5 一水泵；6 一节温器； 7 一气缸盖水套；8 一水温表；9 一机体水套；1 0 一分水管；l l 一放水阀； 1 3 国内外发动机冷却系统研究现状及发展趋势 传统冷却系统的作用是可靠地保护发动机，此外还应具有改善燃料经济性和降 低排放的作用。为此现代冷却系统要综合考虑下面的因素嘲。 ( 1 ) 发动机内部的摩擦损失。 ( 2 ) 冷却系统消耗的功率。 ( 3 ) 燃烧边界条件，如燃烧室温度，充量密度、充量温度。 先进的冷却系统采用系统化、模块化设计方法，统筹考虑每项影响因素，使冷却 系统既保证发动机正常工作，又提高发动机效率和减少排放。 通常传统冷却系统采用的冷却风扇或离合器式冷却风扇均由发动机曲轴通过 皮带驱动，其冷却调节的灵敏度不高，功率损失也很大。为解决这个问题，出现了自 控电动冷却风扇。1 9 8 1 年3 月的美国专利文件中( 专利号u s 4 2 5 7 5 5 4 ) 首次提出了用 3 江苏大学硕士学位论文 电动冷却风扇，其驱动方式由发动机驱动改为由电动机驱动。根据发动机温度和负 荷情况的不同，实现风扇的运转速度的控制，避免了发动机驱动冷却风扇的功率损 失，缩短了发动机的预热时间，减少传热损失。然而，该项专利技术由于没有采用护 风罩，降低了风机的容积效率，同时引起风机总效率的降低，这种冷却方式在筑路 机械上无法推广最终只能应用在热负荷比较小的轿车散热器上n 1 9 8 9 年美国首次在载重车辆上采用电动单冷却风扇。风扇布置在散热器中 部，叶片直径和驱动功率均较大。后来“机动车发动机的通风系统”将电动冷却风 扇布置在散热器前方，根据发动机温度的高低，冷热气阀可交替开闭。 1 9 9 4 年台湾裕隆公司也就冷却系统的更新申请了专利( 专利号9 4 1 1 9 8 1 9 ) ，提 出了在冷却系统中装置可调转速电动水泵的设计。以反馈控制水泵冷却液流量。其 主要是根据水温、节气门位置、车速等的传感器所传给e c u ( 微处理器) 的信号，以 反馈控制的方式调整电动水泵的转速，使得发动机水套中流动的冷却液流量能随 着不同的驾驶状况而作调整，保持发动机的正常温度。同时，在9 0 年代日、美等 发达国家推出了采用电液比例控制液力驱动冷却风扇。在当今日益重视环保、提 倡节能和舒适性的情况下，发动机的结构和性能都有很大的发展，冷却系统正朝着 节能化，轻型化、紧凑化和智能化的方向发展。 发动机冷却系统的效能取决于其使用条件和各部件( 散热器、风扇、水泵) 的设 计和匹配的合理性。为了使冷却系统各部件得以合理匹配，且能分析各种因素对 冷却系工作的影响，国外普遍采用了计算机数值模拟方法，计算机数值模拟在汽 车发动机冷却系统设计领域的开发应用始于7 0 年代初期，1 9 8 2 年美国密执安工业 大学开发了重型柴油货车冷却系统计算机模拟程序( 简称犯s s ) ，1 9 8 8 年又对 其进行了改进。康明斯发动机公司进行冷却系统计算时，只需将发动机、散热器、 风扇的有关参数以及环境条件输入计算机即可得到有关的性能参数。在此基础上 还可对有关的输入参数进行调整，直到得出符合需要的冷却系性能。国内汽车冷 却系统设计工作主要是凭借经验设计和大量的对比试验，近几年在计算机模拟方 面的工作进展很快，相继出现了一些数学模型和计算方法，大大减少了冷却系统 匹配设计的工作量嗍。 1 4 本课题研究的主要内容 1 根据理论分析和扬州通顺散热器有限公司提供的实验数据，建立起管带式 散热器传热与阻力特性的预测模型，得到散热器的传热因子j 和阻力因子f 的准则 4 江苏大学硕士学位论文 关联式，并根据实验数据采用物性比法对其进行了修正。 2 建立了冷却系统静态匹配特性仿真模型，并采用温度效率传热单元系数 法在m a t l a b 中编制了散热器选型设计的计算程序，并与实验结果进行了比较分析。 3 建立冷却系统动态特性仿真模型，并在m a t l a b s m u l i n k 中实现对模型 的动态特性仿真，在此基础上分析了冷却系统在不同工况下的出水的温度变化特 性，并与实验结果进行了比较分析。 5 江苏大学硕士学位论文 第二章冷却系统的传热和阻力计算 冷却系具有热源和冷源。对于各类汽车和拖拉机，发动机气缸内的高温燃气是 冷却系的主要热源。冷却系的冷源，是车辆的周围环境。典型的冷却系统的传热， 是把由热源传导到受热器件上的热，依靠传热介质把它吸走并传输到冷却系的热 交换器( 水散热器、油冷却器等) ，再由车外吸入的冷却空气输散到冷源中去，以 保持发动机的正常工作状态。如图2 - 1 所示嘲。 图2 - 1 动力装置散热过程 冷却系统能否及时地将发动机受热件的热量传输到车外环境中散掉，与热交 换器( 水散热器、油冷却器等) 的传热能力及传热介质的载热能力密切相关。 传热介质的载热能力记为m ， 圣。c ，( 2 - 1 ) 上式中，吼为传热介质的质量流量( 喀s ) ，其大小取决于水泵或冷却风扇。 c ，为传热介质的定压比热容( i di ( k g 。c ) ) 。t 是传热介质的温度( o c ) 。巾的大小 与传热介质的定压比热容及对流换热表面传热系数有关。当质量流量一定时， 传热介质的载热能力与介质的物理性质及对流换热表面传热系数的大小有关。 换热器内的传热，是传热管或隔板两侧流体之间的传热，即热量由热流体经 固体壁面传至冷流体。传热量的大小，与两侧的传热面积f 、对流换热表面换热 系数h 、壁温w 和传热介质的温度f 有关。 2 1冷却系统的传热分析与计算 2 1 1 芯体结构几何尺寸的计算。1 1 传热面积 a 、水侧( 水管部分) 的传热面积 ，* = 截面周长水管长冷却水管数目 ( 2 2 ) ：2 以+ l ) x h 6 江苏大学硕士学位论文 式中；l 为水管横截面的长；l 为水管横截面的宽；日为水管长；为水管数日。 b 、气侧( 翅片部分) 的传热面积 e ；翅片单元周长x 芯体厚度芯体高度，波距波带数目 j册2+了w2州)ih=2x(2xx p x ( ，j + 1 ) ( 2 - 3 ) v 4 ) ，【j + 9 1 撕：丝r e ：丝 努谢尔特准则数兄、雷诺准则数 ，等定义式中，l 为定型尺寸。通 的流动换热，取管子内径或为定型尺寸，在管外强迫流动换热时取管子外径d o ， d 。_ 4 a - - 【， ( 2 呦 水侧通道( 矩形) 的当量直径： 仇2 了4 x a 2 丽4 x t d x t w 气侧通道( 翅片与一次传热面组成) 的当量直径： 珑2 可4 x a2 i 4 x o 丽5 x w x h h 2 。1 予+ 删 c 、百叶窗的定型尺寸：o 一百叶窗的间距 2 1 2 对数平均温差a f _ 均温差的计算要比逆流复杂，常先按逆流算出对数平均温差血m 遵，然后乘以考虑 江苏大学硕士学位论文 之间，在计算中一般取o 9 8 。假设热流体的进、出口温度分别为、，冷流体 的进、出口温度分别为f 4 - 、f ：，则得： 缸m ：甲缸。，遵 丝坚二丝巫 i na t m a x ：甲 ( 0 ，一：) 一( 0 z t o - ) i n ( 姓1 = 甲 0 2 一乞- 。( 2 - 7 ) 式中址一代表f ( t 7 = w 2 一o ) 和& ( 缸。= 一厶z ) 两者中最大者，而垃一代表 f 7 和出两者中最小者。 2 1 3 翅片效率口，和翅片表面的总效率的求算 翅片是管带式散热器的最基本元件。冷热流体之间的热交换大部分通过翅片， 小部分直接通过扁管来进行。正常设计中，翅片传热面积大约为热交换器总传热 面积的6 7 8 8 。翅片与扁管之间的连接均为完善的钎焊，因此大部分热量传给 翅片( 通过扁管并由翅片传给冷流体) 。由于翅片传热不像扁管那样直接传热，故翅 片又有“二次表面”之称。二次传热面一般比一次传热面的传热效率低，但实验 证明，二次传热表面的散热能力对散热器的散热能力有举足轻重的影响，特别是 在二次传热表面上冲出一系列百叶窗孔，这一措施可使传热性能提高。 从传热机理来说，管带式散热器的主要特点是具有二次传热面，所以传热过程不 仅在一次传热，而且同时在二次传热面上进行，其总的传热量等于一次传热面传 热量与二次传热面传热量之和。一次传热面是指水管壁面，二次传热面是指翅片 的表面。如图仁2 ) 1 2 】所示： 图2 2 二次传热面 8 江苏大学硕士学位论文 q l 啊峨心w 一) ( 2 8 ) q 2 。如嘎饥一) ( 2 - 9 ) q l 为一次传热面所传递的热量；q 2 为二次传热面所传递的热量； e 为一次传热面面积；e 为二次传热面面积 啊为一次传热面与空气间的表面传热系数； 1 1 2 为二次传热面与空气问的表面传热系数； 0 为水管壁面温度；t 为空气的温度；为翅片表面平均温度 由于翅片高度较翅片厚度要大得多，所以我们认为在翅片壁厚方向温度梯度 可以忽略，而沿翅片高度方向存在温度梯度，翅片根部的温度最高等于水管壁面 温度0 ，翅片的平均温度要低于0 。为了方便计算总的传热量，将二次传热量作 如下换算： q 2 - 也嘎，7 ，心”一乙) p l o ) 由式p 9 ) 与式( 2 1 0 ) 相等可求得翅片效率，7 ，： 旷昔 ) 比较式( 2 - 9 ) 与式( 2 1 0 ) 可见，如果把二次传热面的传热温度看作和一次传热 面的传热温度相等，都为( 0 f i e ) ，应需要将二次传热面积打一个折扣，即乘上二次 传热面的翅片效率，7 ，。翅片效率，7 ，在数值上，等于二次传热面的实际平均温差和 一次传热面的传热温差之比值。 总传热量为： q 总一q 1 + q 2 - i l l 墨o 。一t g + h = 嘎唧，( 0 一屯) - | i i f ，7 i ( f ”一) ( 2 - 1 2 ) 式中：f 。日+ 兄，h _ l 1 1 h 2 ，则： e + 最，7 ， 2 亍 p 1 3 ) 可见，翅片表面总效率的物理意义是，把二次传热面和一次传热面同等看待，认 9 江苏大学硕士学位论文 为都处于一次传热面的传热温差( w 一) 下时，对总传热面f 所打的折扣。 2 1 4 传热量的计算 管带式散热器中冷、热流体的传热方程式如下朗： q - 吃e 唧埘饥一) ( 2 1 4 ) q w - | i i ”f 0 ( 一一w ) ( 2 - 1 5 ) 式中q 4 ，以：分别为壁面对冷流体的放热量和热流体对壁面的放热量； 丸、k ：分别为冷流体与壁面间表面传热系数和热流体与壁面间表面传热系 数； 钆：冷流体通道翅片表面总效率； k 、o ；分别为冷流体的温度和热流体的定性温度； 在稳定传热情况下，见：q ”：q ，并忽略翅片及隔板热阻，将式p 1 4 ) 与式p 1 5 ) 变换、相加可得： 1 q = 丁二广。一o ) ( 2 - 1 6 ) 。一 h 4 f 。i ， 。h 。f 。 由于在热交换器中，流体的温度通常是沿流程变化的，所以将2 - 1 6 ) 式中的两 流体温差取为对数平均温差缸m ，则得； 式( 2 - 1 们可写成： q = t j 丁虬 h 。f 。q 。h 。f ( 2 - 1 7 ) q - k , e 帆2 卫1 。e 虬 ( 2 1 8 ) ke 丸。 ( 2 - 1 外 式中k 、k - ：分别为冷通道总传热面积为基准时的传热系数与热通道总传热 面积为基准时的传热系数。 江苏大学硕士学位论文 ( 2 - 2 0 ) ( 2 - 2 1 ) 换热器计算的基础是传热方程式和热平衡方程式：传热方程式司写成式( 2 - 1 8 ) 和式c 2 - 1 9 ) 两种形式；热平衡方程式如下： q - ，c ，( f 1 2 一t 4 1 ) 1 0 0 0 一， c p ，- ( t “一t 2 ) 1 0 0 0 ( 2 - 2 2 ) 式中q 艉一、一分别为冷流体的流量和热流体的质量流量，单位都为【l 【的】； 。，。、。，w 分别为冷流体和热流体的定压比压容， k j ( k g ) 】； q ”c ，a 、q ”，一分别为冷流体和热流体的质流量热容；单位都为【w ) 】； q ：传热量，单位为【w 】。 2 1 5 传热系数k 的计算 由式( 2 2 0 ) 和式( 2 - 2 1 ) 可见，传热系数k 的计算，因其中各项常数都易于写出， 实质上归结为表面传热系数九、h ”的计算。传热系数k 的计算是一个极为复杂的 问题，各种因素略加改变，均会影响其值，故只能借助于实验总结出一些经验公 式。 热流体( 水侧) 的表面传热系数矗w 的计算： k 2 警 式中九为水的导热系数，d w 为水侧矩形通道的当量直径，n u ”为努谢尔数，可由 文献f 1 3 】获得。对于r e ws2 3 0 0 ，流体属于层流流动，n u w 由充分发展的定壁温矩 形槽理论解求得： 肌v = 2 9 7 d 。m 曲a x 仁柳 堡竺坚 式中d wm i l l 是水管横截面长宽之比。 当流动处于过渡状态，即在2 3 0 0 r c ”1 0 ，0 0 0 的范围内时，使用格尼林斯基 1 1 磊署 1 一+ 1一，一r。南竿矗 丁一k 丁一k = = k 瓦 江苏大学硕士学位论文 ( g l l i d i n s k i ) 公式1 1 4 l ： 肌w2面(r面e-丽1000)丽-pr-(fl2) 仁铆 当流动处于紊流状态，u pr e w 1 0 , 0 0 0 时，p e t u k h o v 式用于计算水侧表面传热系数 【1 4 】： 肌。= 而百r 历e , 万p r ( 历f i 而2 ) 对于式( 二2 5 ) 、式( 2 2 6 ) 管内摩擦系数由p e t u k h o v 式计算【1 5 1 ： 一，2 - 0 平5 8 x l n r e ，一3 ，2 s 2 由于散热器工作时水管里的流体一般处于过渡或紊流状态， 换热率太低，故在计算中不对层流状态进行讨论。 冷流体( 气侧) 的表面传热系数丸的计算【1 q 九= 等 式中：舷为冷流体( 即空气侧) 的表面传热系数， w ( m 2 。c ) 】； c ，一为空气侧的定压比热容， j o 【g 目】； | i f a 为空气质量流速， k g i ( m 2 曲】； ( 2 - 2 6 ) ( 2 - 2 7 ) 由于层流状态的 ( 2 - 2 8 ) j 为表面传热因子，即无量纲的表面传热系数。由柯尔朋( c 0 n 邶由类比律所定 义的传热因子j 的表达式为唧： e 3 。鬟( 2 。- 2 9 ) c p # x 朋4 式中：& 为斯坦登数。 2 1 6 物性参数的计算 1 、定性温度 相似准则数中的物性参数都随流体温度的变化而变化，因而所有准贝i j 方程式 中都指明了以哪个温度为准的物性参数，用以确定物性参数的温度即为定性温度。 定性温度的取法大致有：a 、取流体的平均温度为定性温度；b 、取壁面温度为定 性温度；c 、取流体和壁面地平均温度为定性温度。 江苏大学硕士学位论文 对于油类及其它高粘度流体，由于加热或冷却过程中粘度要发生很大变化， 这时若用流体进、出口的算术平均温度作为定性温度，往往会使换热系数的数值 有很大误差。由于水和空气的粘度不大，所以本文中水和空气的定性温度的确定 用的是a 方法。 为了更好的计算流体的物性参数，对于不混合交叉流换热器， 两侧流体的算术平均温度作为沿流道长度的平均温度，即1 1 7 l ： 水的定性温度：t m _ + t w 2 ) 2 空气的定性温度：o - ( o + t + 2 ) 2 2 、物性参数的多项式 我们取换热器 ( 2 - 3 0 ) ( 2 - 3 1 ) 热流体( 水) 和冷流体( 空气) 在不同温度下的物性参数值一般都是由表给出的离 散值，为了方便设计和校核计算，现将各物性参数拟合成与温度相关的多项式。 表2 1 给出了干空气的热物性参数随温度变化的实验数据的拟和关系式；表2 2 给出了饱和水的热物性参数随温度变化的实验数据的拟和关系式。 耀 倒p g8宕宕8宕 娟匝 27?2 oooooo 咄 一 宝 l 世 量 镥8 一 享嘉 譬 l 暮 嚣鲁 堇 5 ： 苫 峋 ； l l l 攀 。罟警苫 一 6“ 孵 型9 餐茸 8 88赛霉宝 宕 是8星 - 一 卜 = g l 一 8 | ll；暑 辱 o 枷 趔 l d辱辱o ! | 耥 誊 = 乓 辱 写 辩嗤连 o 赠一 避9 靛茵 宝2 88 盆盆宕拿8 一 舶 趔 甚 妻 l 蠢 l 嚣 善 蕃 警l l = 宁 ； 辱辱 =o暑 辱 辱辱 l ! | ； 枷 一 d _ f 堪9 1 1 ；蓬 ，、 m s = ) u 基 冀 no 鼍叁囊 b ” 2 邑h 、 捌 、 套毒蚤茎飞：岳 皇 n 一呷 气 叩 2 彳 2 2i x2 2 x j 宝 x x ：8 宝g 一 苫 豺 一 诘 弋 h ii 誊 寸 h 2 岬 1 彳 2宝22 高 xx x x h瓮 =害 o洽 do + i 11 22宝 xxx 卜 国 ；兮 譬 吨吗 hdn iii 卜 8蹈昌 o 是昌 乏 _ 666山 iii 幅 。o 、主主击 跫 孽 d 龟 ! +小 叩 i 呷 兰 2 呷呷 x22 xx 罱 瓮 1：兮 s ： 瓮 寸6 d 龟 + + +n a 冢 苫 n =i i 一过 譬 一 d l 铆 i h i 2 过气 捌 、 x 器 n q 寸 + n 0 0 = 一 h i 口 吣气 苎 1 n 一 i 呷 呷 0 o2 - 宝 x 国 誊 峰 + 长 n 吨 n i h + x n n n 蜊 吣 n 0 0 i n o 一 一 + 呷呷 o2 h i i h 一qq 蠢 n 髯 啦 吁 寸 h i 嚣 a n 懈 i 由qq 丑担 耀聋 皿 粥幽铀器砷盆 r器墨 瞥静心一嚼 稃越删避和赫 懈峨状冥套盆曙氟繇俅掣铆世赠筮蒙镍掣霉瘊雹扩倒巾 r i “搽 科帛堪静书铎朴糠厦 圜 糖 888 8 8宕 8 箬 7777 7 ? ? 2 oo o o霉o霉o拿 绷 n 一 s 譬 暑 美 譬 謇 譬gs 韵墨 d 嗤 象 ld。6a。o：2 一 一6话一一d夏 一 “ 露 牟连窨6 魁 赠 昙盆景宝宝景是寮22霉宕磊2宝 枷 捌 咄 谢 g | l | l 誊詈 莩譬 甍 ! 窖 s 莩 s 誉 啊邓堡 。辱。早辱辱辱辱 - 一 苫 辱o暑ds 譬 d辱o6 恺 赠 器 8 8导拿 8 宝2霉 8 导 g 一一一 枷 趔 蘑 誉 n一畸 础葛 | 番 嗤 堋 晷 高 乐 l 誉 ； 一 ； g 强娶 g 孥 兽：q 唧 = 辱 _ k 唧 琴 g d苫 一 ： 未 =一 宁咛 蝌瑙堡宁6辱宁 g 竹 。 u 嚣 鐾 一 鼍叁囊 b ” 暑邑h 、 疆 、 圣至飞：岳擘 nn n n 矿 矿 ， 2 宝 乞2 b 气 一 刍 刍 墨 景 气乞 1 色2 寻 x 瓮 黔 “ + 8 = d i 器 誊g 蛊 翻 _ xx 呷x 二o 毒主 翟 羁 2 1 量 豁 “ i h2宝 主 x x sg 密 累 g 一 + + 一 呷 b2 一 x 譬 o 一3 0 一 i s h h ：2 善 2 2 ： 3 i ： n l ：3 刍 x 瓮 2， 毫 ， 一 x 券 2 +卷 “ 1 x 岛 莒 i 2 x 兽 弋 hh x 帘 罱 8 呷 2 是麓 量 苫导 翟 暑 叫o o+ 三 ： 诺 叶 二 墨 g 暑 x 8 景 葛 蓦 遣 1 i g 次 瓮 卜 寸 8 i 一 霜 葛 兽 _ 一 i i i i 品 过兰 文3 吨 餮 百 2x 文 过 x 譬 r 蜜 赛 焱 一 2 一 x i 商 豁 窨 高 瓮 8=羚q 呷 do 卜 + + 字 碧 &= 08 “ “ i n n - x 2 pu 土飞i吨 卜 x 坎 嚣 - 毛 爱 鲁 $ ： 蓉 ； 叼 之u n i 譬 2 x 善 蛊 兽 主 簧 i 国 坎 u 室 ：兮 v - - 4 懈 q i i l 匈 q 赣 懈 恺越妊 丑 器嚣 颦耀 球 血 警 出 r需盛 督馏袖v 妊需 卿 伽 懈憔水巽轻宅孵簸繇林葚黼蜊啁埋糕椎型拳臻盆*髭器“in臻 卅帛堪补小臀特搬奠 江苏大学硕士学位论文 2 2 冷却系统的阻力分析与计算 2 2 1 水系阻力计算 水系阻力计算的任务是求得水系的阻力分布( 或称水系的阻力特性) ，使之满 足与水泵特性的良好匹配。 计算的方法，是将整个水系分成若干个独立的回路，在每个回路中，又分成 若干个独立的管段，对每个管段进行计算，然后按照串连回路流量相同、阻力相 加，并联回路阻力相同、流量相加的原则加以合成1 5 l 。 冷却系统中每个管段阻力的大小，取决于该管段的材质( 钢管、胶管、塑料管 等) 、结构( 直管、弯管) 、界面形状( 圆形、方形、其它形状) 、管径、长度以及冷却 水的流量、温度等诸多因素，计算时以相应的试验数据为基础。水的温度对阻力 的影响甚小，在工程计算中不预考虑。而散热器内流动阻力引起的压降，是衡量 冷却系统运行经济性能好坏的一个重要指标。如果压降过大，消耗功率多，就需 要配备功率较大的动力设备来补偿因压力降低所消耗的能量。因此，在冷却系统 的设计中，合理的计算散热器的压力损失成为冷却系统设计好坏的一个重要内容。 由流体力学可直，产生流动阻力的原因与影响因素可归纳为：流体具有粘性、 流动时存在着内部摩擦是产生流动阻力的根源；固定的管壁或其它形状的固体壁 面，促使流动的流体内部产生相对运动，为流动阻力的产生提供了条件，所以阻 力的大小与流体本身的物理性质、流动状况及壁面的形状等因素相关。 散热器中流动阻力可分为两部分，即：流体与壁面间的摩擦阻力；流体在流 动过程中，由于方向改变或速度改变所产生的局部阻力。 对于散热器内的水侧阻力，我们采用如下计算公式嗍： 峨= 华( 4 户i d 。+ 舭 (2-32) 式中，风为水的密度；”为冷却管内水的流速；l 为水管长度；e 为局部阻力系 数；仉为水管当量直径。为水管数目。一为摩擦因子。摩擦因子一采用p e m k h o v 提出的计算式计算。 2 2 - 2 风道阻力( 压降) 的计算 所谓风道阻力，是指冷却空气流经风道和散热器所产生的阻力( 压降) 之和， 也称为全气路阻力。表示为： 1 6 江苏大学硕士学位论文 卸o 。卸t + 印l ( 2 - 3 3 ) 式中觇一风道的总阻力，即全气路阻力 觇一风道内的空气阻力 6 峨一散热器内的空气阻力 ( 1 ) 风道内的空气阻力 风道内的空气阻力舰由沿程阻力和局部阻力构成，局部阻力包括空气在流动 过程中突然收缩或突然膨胀、以及气流转向和受阻等几种阻力的总称。此外，气 体受热后，体积膨胀引起速度增加所形成的附加阻力，通常也包括在局部阻力之 内。 ( 2 ) 散热器内的阻力 空气侧的阻力计算公式表示如下【1 9 】p 呻： 轨2 等m c r z + k ，+ 筹会+ 2 嗳一9 一。彳一k ，拿 p 砷 2l1 式中，n ，岛为空气进出、口密度；以为空气的平均密度，风 岛 应；五0 为入口压力损失系数；e 为出口压力损失系数( 疋墨可由文献【9 】查得) ；盯为相 。：曼 对自由截面，即最小自由流通面积只与流体迎风面积乃之比，；f 为芯 部表面的摩擦系数；上为流道长度。 美国“特蓝公司”资料介绍了一种管带式换热器总压力降的计算经验公式， 该公式在程序中使用时比较方便，介绍如下1 2 1 l ： 瓴2 等t 羔一署+ 警 岬， 式中：岛，成为空气进出、口密度；l 为流道长度；g 为重力加速度，g 。9 8 1 m s 2 ； ，为芯部表面的摩擦因子。 摩擦因子，定义为：在流动方向上，流体流经单位传热面积上的剪切力与单 位容积的流动动能之比，即： 1 7 江苏大学硕士学位论文 ，2 寺 2 仁3 6 ) 由实验测量出气侧压降p ，则气侧表面摩擦系数厂为阎： ，2 鲁【笋一假+ 1 - 盯2 ) - 2 ( 鲁一1 ) + ( 1 一盯2 一剐会】p 3 7 ) 式中只为最小自由流通面积，【m 2 】；m n 为空气质量流速，【坛协2 s ) 】； p 为密度， k g l m 3 】；p 为压降， p a l ；盯为为相对自由截面，即最小自由流通 。：墨 面积e 与流体迎风面积乃之比，日；下标1 , 2 , m 分别代表进口、出口和平均 值。 其中，最小自由流通面积e 的定义如下嘲： 堡：4 墨 工 c p 3 8 ) 见：空气侧当量直径，l 是从第一管排前缘至紧接着最后排管的管排r 属另外 管排) 前缘之间的当量流动长度，e ：空气侧传热总面积 江苏大学硕士学位论文 第三章冷却系统中散热器的传热与阻力特性预测 散热器的传热特性通常用传热因子j 随r e 的变化关系来表示，而散热器的流 动阻力特性表示为摩擦因子，随r e 的变化关系。当前，国内一些汽车散热器生产 厂家在散热器设计和应用过程中，对其传热与流动阻力性能的理论计算方面的工 作还比较欠缺，通常是通过试验测定来解决的，或沿用前人的通用关联式进行计 算。 d m n p o r t 测试了百叶窗翅片的3 2 种几何形状，用复合迭代的拟合方法得出_ ， 与，同r e 数的关系式【2 4 1 ： 卜n 2 4 9 r c 4 一k 争“日“ ( 3 r e 4 0 0 。) ( 3 - 1 ) 卜5 4 7 & 耳一厶”印”巧吮( 7 0 r e 1 0 0 0 )( 3 2 ) ，o 4 9 4 r c 如一c 争“c 争“e “。咖 鼬 枷。，p 式( 3 1 ) 、0 - 2 ) 、( 3 3 ) 中r e 工，是以百叶窗的间距为特征尺寸的气侧雷诺数；厶是 百叶窗的高