汽车冷却系统散热器的优化设计

题目:汽车发动机冷却系统的设计学院名称专业班级学生姓名导师姓名年月日汽车冷却系统散热器的优化设计作者姓名专业指导教师姓名专业技术职务目录摘要 摘要随着汽车工业的蓬勃发展，各种各样的高性能高性价比的汽车应运而生。发动机的冷却系统在整个汽车的作用上起到了不可替代的关键作用。本文在分析了汽车散热器的各设计要求的基础之上,提出了比传统的设计方法更为完善的设计方法，并且提出了散热器的优化设计方法。散热器的传热特性、流动特性和耗材量等都是结构设计的主要指标。在设计方面，汽车散热器的很多指标都会影响散热器的性能，而这些指标都是相互关联相互制约，如果采用了传统设计方法不仅会耗时,而且会在主要指标之间产生取值上的矛盾，所得到的方案结果只是一个可行的设计,而不是最优设计。本课题的主要工作是为管带式散热器热力性能的优化，确定了波距w、波高H对散热器散热量Q达到最大散热性能和空气阻力最小的最优值为目标的目标函数，对影响管芯式的散热器，使热力性能主要的参数进行优化，并计算，使行驶的汽车既能有很好的散热性能又使汽车行驶阻力降到最低，既能提高发动机的动力性又能提高经济性。关键词：散热器冷却系统优化ABSTRACTWiththeboomingautomobileindustry,avarietyofhighperformancecarscameintobeing.Enginecoolingsystemsthroughoutthecar'sroleplayanirreplaceablecriticalrole.Basedontheanalysisbasedonthedesignrequirementsforvehicleradiators,comparedwiththeconventionaldesignmethodisproposedtofurtherimprovethedesignoftheradiatoroptimaldesignmethod.Radiatorofheattransferandflowcharacteristicsandquantityofsuppliesisthestructuraldesignofthemainindex.Intermsofdesign,carradiatorsindicatorswillaffecttheperformanceoftheheatsink,andtheseindicatorsareinterrelatedandlimit,usingthetraditionalmethodistimeconsuming,andvaluesonthecontradictionbetweenthemainindex,Theresultsobtainedarejustaviabledesignisonlyaviabledesign,ratherthanoptimaldesign.Thissubjectofmainworkisforbelttyperadiatorthermalperformanceofoptimization,determineshaswavefromw,andwavehighhonradiatorbulkheatQreachedmaximumthermalperformanceandairresistanceminimumofoptimalvaluefortargetoftargetfunction,oneffectstubecoretyperadiatorthermalperformanceofmainparameterforhasoptimizationcalculation,makesdrivingofcarbothcanhasisgoodofthermalperformanceandmakescardrivingresistancedownminimum,bothcanimproveengineofpowersexandcanimproveeconomicsex.Keywords:radiator;coolingsystem;optimization;第一章绪论本文对汽车散热器的芯子结构实验数值进行了对比和分析，本次实验室按照国标要求进行。通过实验分析结果证明本文所建的目标函数的计算基本正确，优化方法可以实现，在约束条件合理的条件下，优化计算的结果非常可靠，并且最终获得了本次散热器结构性能参数的最优方程。这些性能参数的最优方程，对管芯式散热器的开发利用、制造设计、检测和运用等具有较高的参考价值。汽车的冷却系统是汽车冷却系统中重要的组成部分，由散热器、贮水箱、软管、水泵、风扇、节温器、缸体和缸盖及进气歧管的水道等组成，是给汽车发动机降温的装置，其功能的好坏，对汽油发动机的稳定性、经济性和动力性都有非常大的后果。散热器是冷却系统的主要部分，本文对影响散热器的翅片参数进行了优化，得出了发动机动力性兼经济性双提高的结果。确定了波距w、波高H对汽车冷却水散热量Q和空气阻力的影响，并以散热量Q达到最大散热性能和空气阻力最小的最优值为目标的目标函数确定一个最优值。第二章散热器的结构及其发展2.1散热器的结构汽油机的冷却系统分为两大类，即水冷和风冷的冷却系统。水冷散热器是冷却液冷却汽油机，即液体汽油机。汽油机运转时，气缸壁气缸体等会产生高温，如果每有冷却系统，会使汽油机过热，燃烧效率下降，机油磨损加剧，零件消耗加快，致使汽油机的经济和动力、耐久和使用性急剧下降。不过如果冷却温度过低，汽油机的空燃混合气不能充分混合，机油被稀释不能起到润滑作用。即便柴油机也会出现粗暴的响声，热损失和摩擦因数加大，气缸零件的各结构加速磨损，致使柴油机工作性质不稳定。所以汽油机的冷却系统要有一个合适的温度调节范围，汽油机冷却系统的首要任务是使汽油机在合适的温度条件下运行。评价优质的冷却系统应该有下列指标，散热器的散热性能要满足汽油机在各种工况下工作时的要求：（1）冷却液流动阻力要尽量小，减少散热器的冷却液流动造成的能量消耗。（2）散热器结构尽量紧凑，使一定面积的散热量Q达到最大。（3）散热器的运行温度和工作压力相协调，使用寿命长，且加工、维修、成本尽可能的做到最简、最快、最低，工作最稳定。汽车散热器是一个结构紧凑，轻型的薄壁总成，是水冷发动机冷却系统不可或缺的重要组成部分，其作用在一辆汽车散热器的全部零件中占有举足轻重的地位。散热器在汽车上的应用，既要有高的散热效率，又要要求它结构紧凑。散热器一定条件下满足了在一定的散热量Q的占有较小体积，便称它为“紧凑性”。所谓的紧凑性，是指汽车散热器在单位的面积上所占传热面积的大小的指标，单位(m2/m3)。一般凡大于700m2/m3即可称之为紧凑型散热器。紧凑式散热器的构成关键是要有紧凑的散热平面，散热器可以通过管带立体方向来形成，所以汽车使用的散热器，通常结构很紧凑。图1天信散热器K4100ZD型水冷散热器2.1.1散热器的结构组成1.侧板2.放水开关3.下水室4.下主片5.出水管6.芯子7.上主片8.加水口9.溢水管10.下水室11.进水管12.散热管13.水管图2.散热器的主要构造散热器主要由上贮水室、下贮水室、散热器芯子、底托板、挡风板等组成，如图1、图2。其中，汽车散热器的芯子，是汽车散热器最重要的核心。目前，汽车散热器最常用的芯子型式有管片式、管芯式、管带式三种，如图3。(a)管片式(b)管带式(c)管芯式图3散热器常用的芯子型式管片式散热器，是由冷却水管和散热横片构成。焊接在上水室、下水室之间的冷却管道是冷却液的流动散热通道。流动空气在水管和散热片之间流动，通过汽车行驶，使冷却液的温度与空气对流散热出去。冷却水管一般使用椭圆断面的水管。冷却管的外面纵向焊接上了许多散热片，散热片越多，散热面积越大，与空气对流越明显，使散热效果变成非常理想、非常尽人意的设计，并使它的结构更加紧凑合理，同时也增加整个散热器的强度和刚度等硬性条件。管片式汽车散热器有很多优点，主要优点就是其结构强度强，又能减少灰尘等能都进入散热器管片的众多杂质。所以，这种散热器非常适合安装在大载重量的汽车上面。如图4所示。1散热片2翅片3翅片座4水管侧壁图4管片式散热器的传热2.1.2散热器的结构特点管芯式散热器主要应用于矿车上，是矿车必不可少的新型散热器。由于矿车的工况的原因，散热带极其容易破裂，所以产生的新一代散热器，即管芯式。美国L＆M散热器联合公司1980年才开始对管芯式散热器的深入探究，1890年才装配在康明斯重型矿用汽车上，所以，管芯式汽车散热器是新型的车用散热器，它的出现不久，只有十几年的历史。管带式散热器是现在轿车通常使用最常见的一种散热器，它是以波纹状的散热带与冷却水管焊接在一起，并在散热带上开有百叶窗形状的大小相等的扇面，这样设计的目的是改变空气流在散热带表面上的流动方式，变层流为紊流，提高散热能力，更好的发挥散热器的冷却作用。管带式散热器与同体积的管片式散热器相比散热量Q提高了百分之十五到三十，而且有质量小、制造工艺简单、成本低等好处，所以被广泛应用于小型轿车上。随着时代的进步，我国道路状况的逐步进步，在中小型货车上使用的情况也逐渐增多。所以本设计主要研究管带式散热器的结构优化。图5散热芯体单元2.1.3散热器的作用汽车散热器（泛称水箱）作为冷却系统的主要部件之一，它的功用就是在任何复杂多变的气候及汽车所有运行工况下，保证冷却液的温度维持正常值，使汽油机各个零部件正常工作。2.2散热器的发展从德国生产的世界上第一台汽车诞生之日起，人们对散热器的研究已经开始了。在散热器的诞生两百多年的历史上，其结构由简单到复杂，其技术由低端引向高端。1886年，德国早就了世界上第一台汽车，1901年美国造就了世界上第一台无论从结构还是技术上都完整的汽车散热器。从此美国、日本、俄国接连发起对散热器研究的“战争”，散热器的技术“破壳”，散热器从此被广大技术爱好者着迷。到1935年，散热器被大规模的生产，发展速度相当的快，美国、日本的散热器技术居于世界首位。中国的散热器在汽车行业，新中国解放以后才慢慢兴起，1956年我国的首条汽车散热器生产干线正式形成。第三章国内外散热器的热力性能优化现状3.1国外的研究现状德国、美国和日本等国家在散热器方面进行了大量的探索与创新。美国最新发明了一种使用菱形管连接的散热器芯子结构。在这样的结构下，散热器的管身和管尖都会制成菱形的特殊结构，并且每个管道通过铜焊或者钎焊与散热器上的孔板相连接。两侧板上的特殊菱形钻孔都会有一个凸台，这样就可以提高结构强度和刚度，结构的整体性也可以一并改善，并可以使散热带更好的散热。日本尼桑汽车有限公司汽车研究实验中心开发研制的数值分析代码中，研究了百叶窗周围的气流方式和热流特性等特点，不过，由于单元百叶窗很多，周围气流流动非常复杂，要研究百叶窗轮廓的最优设计，还存在不小的困难，研究进程非常缓慢。他们还研究证明了百叶窗翅片上的空气流动和热流特性可以用迎风差分格式解Naïve-Stokes方程和能量方程来逐步求解，这是一个伟大的发现。国外众多汽车厂家比较注重以整个冷却系统作为研究对象，并且从散热器到发动机内部，每个零部件都对散热器的影响，并做相应的调整，达到理想的效果，会保证汽车发动机散热器各个零部件都处于最佳的优化设计。很多美国的散热器专家，对散热器进行了精确合理的研究，提出了发动机冷却系统散热器优化的计算机控制的最佳方案[1]。此方案的工作原理是：在汽车行驶的过程中，周围的环境温度、润滑油的温度、冷却液的温度通过温度传感器输入到计算机，与已输入到计算机发动机的转速、燃油流量、车速等参数相对接，然后经过计算机的准确计算，输出一个控制信息来调控百叶窗的角度、节温器的开关、水泵流量的大小、风扇的开关等冷却系统的各部件的工作参数，是发动机在任何工况下，都能流入稳定温度的冷却液。3.2国内的研究现状中国的汽车行业正处于一个日益昌盛的时期，汽车产量逐年上升，汽车工业逐步成为我国的支柱产业，但遗憾的是，目前我国的汽车散热器零部件还是主要依靠引进国外的先进设备来设计，而不能自己产出优质的散热器。在国内，我国的汽车散热器厂的核心设备仍然还要从国外引进，中国所生产的散热器结构尺寸也是由德国美国等汽车强国公司提供，散热器关键性的性能参数和散热器内的流动传热机理是我国技术水平还达不到的。所以我国的汽车散热器科研工作者们还需努力，争取早日缩小与国外的技术差距，实现真正散热器国产化。我国正交试验车用散热器优化技术，在车用散热器管带式散热特性曲线中，进行大量试验研究的基础上，并对车用散热器试验结果进行了精确而且大量的分析，并且获得了能够描述风阻、散热器散热量Q及水阻与散热器冷却水水流量、入口温度以及冷却空气风速之间的关系方程。在这一基础上，又准确的探讨了冷却水流量、散热器入口水温及冷却风速对水阻、风阻及散热量Q的影响方式，并且会根据优化数据提出了车用冷却系统散热器最优工作数据的确定方法[2]。朱钰、陈吉安、王登峰等人对于板翅式的空-空中冷器的数据表面的散热传热性能和散热空气流动阻力的特性进行了大量而精确的实验设计。利用风洞试验法得出了由汽车和坦克等机车散热器六种型号翅片组成的六个元件的流通阻力ΔP和传热系数K，并用最优化方法通过计算机分离出各型翅片的散热系数，得出欧拉数Eu和奴谢尔特数Nuf的准则方程，对于空-空中冷器，装车数据优化方案的设计，提供了重要而精确的依据。我国的技术水平虽然还处在较低的发展水平，但是我国的科研工作者还在不断的创新发展，为中国产品自主化提供重要依据。为了达到国际水平，为了争夺国外市场，我国科研者对散热器的设计创新做出了巨大努力，他们研究汽车用散热器的发展形式，还有车用散热器的导热原理，同时设计出了最优的结构数据尺寸的国产散热器。第四章本课题研究的内容及思路4.1本课题研究的内容本文主要的研究内容是对管带式散热器的结构对热力性能的影响优化，对汽车管带式散热器芯子进行了理论数据研究和试验结果分析，通过实验数据测试理论的方法可行性与可靠性，并且在已知条件下，对汽车散热器的结构特性数据进行了最优化，本设计的工作有四个部分：（1）对于管带式车用散热器，进行流动和传热分析：因为管带式散热器的结构特殊，在散热和空气流动的分析时，所需要的约束条件不同。本次设计细致推算了该汽车散热器的散热和空气流阻系数等参数，是优化汽车散热器的最为关键的一步。（2）建立管带式散热器芯子单元导热特性数据优化数学特殊模型。并且在传热和空气流动数据分析的基础上，要研究较较合适的优化变量，并且比较研究重要的散热器性能约束条件，进一步跟据车用散热器的特殊而又合理的数据结构，再次提出合理而精确的目标函数，进一步准确评价车用散热器性能，并且正确解答评价指数。（3）讲解管带式散热器的结构原理等，对它进行实验探究。并进行实验数据优化计算，对所需要的热力特性分析。为本文章将要进行优化的数据内容具有指导性意义。（4）确立目标函数，得到想要的理想化的目标。本文采用的散热器风扇耗功和散热量之间的目标函数，并不是一个线性函数，而是一个复杂的与其他因素相关的函数，因此本文使用MATLAB编制了计算机程序，并能对输入的影响变量输出所需要的计算数据。4.2本课题研究的思路对于管带式散热器，它的热力性能数据优化问题，一般都是按照以下几个步骤来进行的:（1）根据管带式车用散热器的参数设计要求，运用空气流动原理及流体力学等相关知识，结合管带式散热器与空气的传热特性，确立一个风扇耗功与散热量之间的一个关系，确立目标函数，并根据厂家提供的设计约束来进行设计。（2）依据目标函数的关系式，设计并使用MATLAB软件，编制此目标函数的计算机程序，得到在不同波长及波高对耗功量和散热量的关系图和目标函数关系图。（3）对所得的数据图像进行总结。在编制计算机程序时，不可能一次完成，对所得到的结果进行分析，找出编程的不足，并重新调试，最终得到与实际相符的、正确又实用的输出图像。尽管优化算法在理论上成立，但是在模拟的时候总会出现各种各样的问题。这时候就要对自己设计的内容重新理清思路分析，重新调整计算步骤，建立新的数学模型，直到得到本课题满意的最优解为止，得到真实可靠又准确的数据。第五章散热器的传热特性分析在具体的设计散热器的结构过程中，散热器的传热、流阻个性及材料的消耗量等参数都是设计的最重要思索目标。由于散热器构造参数很多并且互相关联［3］，因此，在了解整个散热器之后，对散热器的各个结构充分掌握的基础上对本散热器进行优化设计。本设计在对K4100ZD型散热器散热特性分析，并且建立了散热带结构参数优化方程，并进行了测试计算，得出满意答案。5.1散热器传热特性分析汽车管带式散热器芯子由两部分构成，即扁平截面水管和三角波纹状的散热带，芯子及散热带见图1。散热芯体单元示意图见图6。图6芯子及散热带5.2传热分析汽车散热器的散热量Q总方程:Q=KFΔTm(1)

散热器水一侧的传热面积:F0=2(a+b)LN1(2)

式中:a，b分别为水管截面的长和宽L为水管管长N1为水管数目散热器管带的传热面积:F1=2H式中:H为水管间距w为管带波距N为散热带数目l为散热带宽非圆形的管道，气侧管道的当量直径［4］为:D0=4A对于交叉流散热器，往往先按逆流散热器算出对数平均温差tm逆，再引入修正系数ψ，设散热器水流进口温度为t1、出口温度为t2，空气的进口温度为t3，出口温度为t4，有:tm=ψ式中:ψ：修正系数，取值一般为0.95～0.98［4］。散热器的散热系数表达式:K0=C式中:C2=0.424、n2=0.5571：试验系数和指数，λ：导热系数，Pr0：普朗克常数，μ：动力粘度，u：流速。6.3流阻分析气体流过的车用散热器芯体的流量m，以及阻力系数f：:m=NMρuwH(7)

f=C1uD式中:C1=0.3699为试验系数，n1=-0.2708为指数，ρ：常压下空气密度。风扇泵耗功率P为:P=ρu3LNMf(w+2H)(9)第六章散热器优化模型的建立6.1优化目标及设计变量根据限定的约束条件，要获得散热器最大的散热量Q，又要尽可能的减少散热器后面风扇泵耗功率P，或者在其中一个条件不变的情况下，尽可能的减少散热器的材料消耗。本文将散热器的散热量Q最大和风扇耗功率P最小，作为优化目标函数，建立一个超目标函数f(x)=P/Q，散热带数目用N表示，散热带波峰数用M表示，散热器散热带的波距w和散热翅片高度H为设计的自变量，即为:x=(x1，x2，x3，x4)T=(N，M，w，H)T6.2目标函数目标函数是用来表示所研究的变量对实验结果的影响程度，是衡量设计方案的优劣的重要方程。标记为：f(x)=P/Q优化设计就是要求所选择的设计变量使目标函数达到最优值，就是曲线的最佳点。通常最优值就是指目标函数的最大值或者最小值。在课程设计的过程中，目标是自主选择的。如果目标函数只有一个变量达到最优时，就是单目标函数优化。如果目标函数有多个变量达到最优时，是多目标函数优化。单目标函数优化，由于变量为一个，很容易就能测出目标函数的数值，解答的方法简便快捷。而多目标函数优化比较繁琐，因为多个变量之间往往是相互关联、相互制约的。如果出现此情况，就将它们编一个多目标函数来推算。在工程设计优化问题上，确立一个正确的多目标函数是解答工程设计的最重要的一步。它不单单影响目标函数的优化设计质量，更重要的是对优化目标函数的解答过程产生重要影响。优化设计本次散热器的目标函数，通过查阅资料，了解冷却系统的重要参数和要求，在已知的条件和工况下达到最低的风扇的耗功量同时得到最大的散热量Q。风扇的耗功量和散热量Q不变的情况下，要求是翅片消耗的材料尽可能的小，因为翅片上的百叶窗是从翅片上切割出来的，所以本次实验不考虑材料消耗问题。对于管带式散热器，大多数都应用于小型轿车上面，要求风扇耗功尽可能的小，才能为轿车节省更多的能源。对于此种情况，当给定管带式散热器结构参数时，寻求一个目标：在已知的空间大小、结构参数等条件范围内及满足散热器换热性能要求的情况下，汽车散热器行驶的风阻损失要达到最小，且散热量Q要达到最大。所以，本次设计优化是一个多目标函数的优化情况。因为解答单目标函数优化设计问题比较简便快捷，而多目标函数问题通常采用将多目标函数问题转化为单目标问题求解的策略。本文所取的两个目标（风扇耗功P最小、散热量Q最大）属于相同性质的目标优化函数，皆为目标函数求极值，那么就可以用两个目标函数做除法来计算所要求的最优值。即：确定目标函数为f(x)=P/Q，其中P、Q为方程式(12)(13)。由式(1)-(6)联立得式(10)，由式(7)－(9)联立得式(11)，根据文献［5］:Pr0=0.707，μ=15.9×10-6m2·s-1λ=26.5×10-3W·m-1·K-1ρ=1.204kg·m–3代入式(10)、(11)，得式(12)、(13)。Q=4NwH2ψP=ρu3Q=69775MwN+1×10P=5.1236×0.0166wHw+2w2第七章约束条件在工程设计中，对设计变量的取值的种种限制称为设计约束条件。按设计约束的形式来分，可分为不等式约束和等式约束两类。数学表达形式为：分别为设计变量的函数，称为约束函数。P和Q分别表示不等式约束和等式约束的个数，n为设计变量的个数。汽车散热器的优化设计条件非常严谨，在要求满足内燃机在各种工况下都正常运转时的散热性能，考虑散热器散热量Q最大、风扇消耗功率P最低的情况。本设计主要考虑两个对本次优化设计重要的设计约束函数。7.1流动约束汽车散热器在散热设计中要满足以下条件，散热器水管中的水流和冷却气体的流动速度保持在一个合理的范围内。由文献[6]可知，散热器水管中的水流和冷却气体的流动速度应该满足条件：υw散热器水管中的水流速度，一般取：0.1<υw<1(m/s)υa散热器内冷却气体的速度，一般取：5<υa<30(m/s)7.2散热器风扇约束车用散热器风扇的最大耗功应小于等于允许值:即Pmax≤[P]。车用散热器散发出去的散热量Q，应该大于等于发动机或者发动机其他装置需要的最小散热量Q0，但是由于尘埃、污垢等杂质而引发的散热器散热性能的下降，通常取Q≥1.1Q0。7.3边界约束结合散热器制造工艺实际情况:3.5mm≤w≤5.5mm，7mm≤H≤19mm，100≤M≤140，30≤N≤50。考虑K4100ZD型散热器实际安装情况:400mm≤(N+1)×H≤470mm，350mm≤M×w≤420mm。第八章散热器工作参数优化数学模型8.1程序编制根据建立的目标方程发现，影响散热器性能的因素非常多，由上述计算公式可知,影响散热器热性能的因素特别多,本文采用Matlab程序编制了对散热器风扇的消耗功率P与散热量Q的计算程序，并进行计算,得出风扇消耗和散热量对波高波距的影响效果图。当其他参数（空气流速，百叶窗的结构）为定值时，改变翅片的波距w和波高H来研究对散热器传热性能和风扇耗功的影响。8.2程序编制过程根据上面的散热和空气流动分析，同时在建立数学模型的过程中，我们得出了关于最大散热量Q和风扇耗功的数学模型。在散热器工作参数优化时，估计某一个参数对散热器性能的影响时必须要考虑到对其他参数的影响。散热器的工作参数优化属于有约束多变量优化问题，优化的目标函数为最大的散热量Q和最低的风扇耗功。由于此优化问题的目标函数没有直接的显示表达式，故选用复合形法进行求解。复合形法是约束直接搜索法的一种，直接搜索法是在可行域中直接比较函数值，不断用改进点代替最坏点，从而寻到得优化的一种方法。这种方法利用计算机编程来实现，必须将实验数据输入到计算机中。以K4100ZD型散热器为例，利用了上面设计的数学模型，对实验数据进行计算优化。K4100ZD型散热带的原方案尺寸见表1，翅片的尺寸如图5。散热器工况数据:Q0和P分别为32kW和1kW，芯体尺寸480mm×478mm×66mm，水侧进出口t1、t2的温度分别为90℃和70℃，气侧进出口温度t3、t4分别为30℃和45℃，气侧的空气质量流量规定为10kg·m-3·s-1，冷却水的质量流量规定为3.6m3·h-1。表1K4100ZD型散热带原尺寸波距w（mm）波高H（mm）每带管翅片数M（个）管排数N（个）416132408.3MATLAB程序运用结果图根据MATLAB的程序，得到如下运行结果图像：图7风扇消耗功率P与波高H波距w的关系图图8散热量Q与波高H波距w的关系图B点A点B点A点图9目标函数f=P/Q与波高H波距w的关系图第九章总结由MATLAB编制的对散热器风扇的消耗功率P与散热量Q的计算程序，得到3张效果图，分别得出风扇消耗功率P与波高H波距w的关系、散热量Q与波高H波距w的关系、目标函数f=P/Q与波高H波距w的关系。在这三张图表中，得出以下结论：9.1分析图像由图一得知，风扇消耗功率P随着波距w的增大而减小，随波高H的增大而增大。由图二得知，散热量Q随波距w的增大而减小，随波高H的增大也随之增大。由图三得知，目标函数随波距w的增大而增大，随波高H的增大而增大。进而得知：当增大波距w时，功率P随之减小，但减小幅度很小，近似不变，而散热量Q减小的幅度较大，目标函数增长幅度较大，即减小波距w有利于汽车散热器更好的散热，在规定的条件下排放更多的热量出去，而对风扇的功率P消耗影响较少。缺点是会增加散热器翅片的材料的消耗。所以，在厂家规定的规格尺寸条件下，可以适当减小波距w，达到增加散热量Q，减小目标函数的值的目的。当增大波高H，H从7mm到19mm增加时，风扇消耗功率P由153瓦增加到297瓦（波距w为4时），增加了近2倍，且散热量Q为15万焦耳到7万焦耳减小也为明显。9.2定性分析当其他几何参数不变时，翅片的间距即波高H对压降的性能影响较大。在较小的翅片间距情况下，会具有较大的阻力损失。在较大的翅片间距情况下，具备较小的阻力损失。增大波距时，翅片间距增大，从上下翅片间流动的空气就多，流动阻力及导致摩擦阻力损失有所下降，导致风扇耗功随波距的增大而减小；翅片间距越小，流体穿越翅片之间的空气流动就越少，流速就增大，导致摩擦阻力损失增大。所以图片显示的大致曲线是符合实际且有效的。翅片波高波距对散热量的影响洽洽相反，增加翅片的波高或者波距，都会对翅片的散热面积产生影响，增大翅片或者波高，增加了翅片的面积，在空气流动一定的条件下，散热器的散热量必然增加，只是会增加空气阻力而已。通过以上分析，实验数据的大体曲线是合理且有效的。9.3得出结论原厂家波高H为10mm，波距w为4.5mm的条件下，即图9中的A点，进行改进，结合厂家给定的波高H波距w范围3.5mm≤w≤5.5mm，7mm≤H≤19mm，将波距w为4.5mm优化为3.5mm，即图9中的B点，结果使风扇功率P基本不变的情况下，使散热量Q增加：∆Q=通过对管带式散热器翅片参数进行优化设计缩短了设计时间，提高了优化设计的效率;通过对K4100ZD型汽车散热器的结构数据优化设计，减少了散热器翅片的材料消耗，;通过与原方案相对比，在单位的散热量Q下，降低了风扇的泵耗的功率P，使散热量增加了4.4%，是一次成功的优化。展望本文在建立机械热量性能优化的数学模型上使用了一些前人总结的经验公式，通过观察优化结果比较满意，但仍存在着很多不足。希望在后续的课题设计中继续进行研究大量的散热器性能，多做一些实验，亲身体会实验的乐趣，更好的完善本课题的研究。研究本实验所用MATLAB软件，基于厂家给定客观条件的限制，实验参数的选择范围取值受到了一定的限制，使本课题优化的设计不能达到最优。因此，如果散热器能够装在实验所用的汽车上进行真实路况实验，那么这样获得的研究结果会更有意义。实验由于时间关系，对散热器的优化设计还不能达到使厂家及相关技术人员的满意。但我相信，在以后的工作中，我会充分利用我的闲暇时间，多多参加散热器的研究方面的设计，充分充实自己的工作之余生活，让我的未来充满希望，星星之火，可以燎原，希望在后续研究工作中能够发挥自我、展现自我！参考文献［1］陶文铨.计算流体力学与传热学。北京:中国建筑科技大学出版社，1991.1～139［2］闫玉英，玄哲浩.带百叶窗的管带式散热器传热分析与结构参数优化［J］内燃机学报，1992(4):371－376．［3］李重焕，崔淑琴，玄哲浩.管带式散热器优化设计实例［J］.汽车研究与开发，1995(4):18－21．［4］罗森诺.传热学基础手册:上册［M］．北京:科学出版社，1992．［5］靳明聪，程尚模，赵永湘.换热器［M］．重庆:重庆大学出版社，1990．［6］弗兰克·P·英克鲁佩勒.传热学的基本原理［M］．合肥:安徽教育出版社，1989．致谢本文是在程导师的耐心讲解与指导下进行的，在今年的课程研究设计活中，程老师无论从学习、生活、思想、做人等方面都给了我无微不至的关怀与爱戴，使我对汽车专业知识的了解更近一步，初步掌握了科研的基本技能与基本方法，为我今后的工作打下了坚实而不可替代的基础，在此谨向程导师表示最深的谢意！程导师孜孜不倦、平易近人、认真负责、精益求精、一丝不苟的工作精神和体贴认真勤奋严谨的生活态度深深打动了我，为我们学生树立了一个很完美很优秀的榜样，使我获益终生，受益匪浅。衷心感谢学院的领导和老师！感谢四年来为我传道受益解惑的刘老师，我发自内心的向你们告白：老师我爱你们！我很爱你们！是你们给予了我在大学你努力奋斗的燃气希望之火的种子。感谢我在大学给予我帮助所有的好友，感谢同学和我共同探讨编程问题。最后，向在远方永远、默默无闻的支持我完成大学学业的家人表示无比的感谢！附录MATLAB程序的编制内容：clearall;clc;closeall;%变量数值P=zeros(6,7);Q=zeros(6,7);R=zeros(6,7);M=132;N=40;w=[2,2.5,3,3.5,4,4.5,5];H=[7,10,13,14,16,19];fori=1:1:6forj=1:1:7Q(i,j)=697*(((2*w(j)*H(i))/(w(j)+2*sqrt(w(j)^2/4+H(i)^2))*10^(-3))^(-0.4429))*(75*M*w(j)*(N+1)*10^(-6)+0.16*N*M*sqrt(w(j)^2/4+H(i)^2)*10^(-3));P(i,j)=5.1236*10^(-4)*N*M*(w(j)+2*H(i))*((0.0166*w(j)*H(i)/(w(j)+2*sqrt(w(j)^2/4+H(i)^2)))^(-0.2705));endend%{%draw_testsuccessfulw=[1,2,3,4,5,6,7];P=[1234567;1234567];%画图figure(1);fori=1:6;plot([w(i),w(i+1)],[P(1,i),P(1,i+1)],'-');%连线holdonendgridon;axis([0707]);xlabel('波距w单位：mm');ylabel('风扇消耗功率P单位：瓦');title('风扇消耗功率P与波高H波距w的关系图');%}%