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车用翼型热管散热器参数化分析与模型研究

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引言

随着工程车辆的广泛应用,车辆的工作负荷也越来越大,对散热系统进行分析研究,以保证车辆有良好的散热,对于车辆安全可靠运行有着重要作用

国内学者秦四成等[1]对工程车辆机罩进行了改进,从而提高了散热器模块的性能;黄晓明等[2]通过不断改变翅片参数,对自然对流情况下的散热器进行仿真分析,提出了翅片优化原则;赵骆伟[3]利用整车的散热数据对散热器组进行了改进研究;刘佳鑫等[4]对散热器进行了多方面的研究;董军启等[5]对板翅开窗翅片平直翅片和百叶窗翅片的散热性能和阻力性能进行了分析;肖宝兰等[6]分析了散热器各参数对其散热和流动性能影响的大小;刘晓[7]通过仿真证明相同尺寸下的管带式散热器性能高于管片式散热器国外学者在提高散热器性能方面做得研究相对广泛,AhmedSA[8]利用TiO2水纳米流体增强散热器的散热性能;VaelikangasT[9]通过添加涡发生器达到增强散热器整体性能的目的

本文针对国内某型号工程车辆,利用CFD(ComputationalFluidDynamics)对其不同热管和翅片布置下的散热器单元进行仿真分析,并对仿真与实验数据进行对比分析,从而为翼型散热器进一步研究提供一定的理论支持

散热器仿真模型

1.1散热器单元体模型

在已有研究的基础上,根据厂商提供的结构参数,利用UGNX8.0建立某工程车辆的管片式散热器模型

散热器主要由进水室出水室和芯体这三部分组成,芯体为管式散热器的主要结构管片式散热器芯体模型如图1所示,芯体由翅片和热管组成,芯体的具体结构参数如表1所示

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1.2CFD网格划分以及边界设置

利用ANSYS进行网格划分,此处采用混合网格对模型进行网格划分;同时,在边界层起始位置将结构性网格按比例缩放,直至覆盖整个翅片,翅片网格划分如图2所示,网格划分数量约为200

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为了便于研究,将热管侧边界设置为恒温,为了得到稳定的气流,将单元体前后分别延长,翅片单元体边界设置如图3所示

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1.3试验验证

Fluent中进行流体动力学仿真分析,为了验证模型的准确性,在出入口截面处布置温度以及风速传感器,将所得数据换算成换热系数与压力损失45分别为压力损失与换热系数实验数据和仿真结果的对比,从图中可以看出二者拟合较好,因此可知该模型是准确的

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翼型热管散热器参数对性能的影响

2.1翅片结构参数对散热器换热特性影响分析

2.1.1叉排与顺排对散热器换热特性的影响分析

叉排是指前排两热管间隔的中央为后排热管的位置(如图1所示),前后两排热管数差1;顺排是指两排热管位置前后对齐,前后两排热管数相等对叉排与顺排的散热器芯体模型进行仿真分析,结果如图6所示从图6可以看出,当气体流速达到12m/s,叉排散热器的换热系数高出顺排散热器的换热系数22.4%究其原因主要是因为叉排散热时,热管在两侧交替持续散热,换热效率高

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2.1.2管排数对散热器换热特性影响分析

管排数为芯体厚方向上管的数量,本文分析时选定管排数分别为345,仿真结果如图7所示从图7可以看出,换热系数随着散热器管排数增加而增大究其原因是管排数的增多实际上是增加了换热通道,因此管排数越多散热器的换热性能越好

2.1.3管长径Ph对散热器换热特性影响分析

管长径Ph分别选定为9mm14mm19mm,仿真结果如图8所示从图8可以看出,随着流速的增加,管长径越大散热器的换热效果越好

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2.2翅片结构参数对散热器阻力特性影响分析

2.2.1叉排与顺排对散热器阻力特性影响分析

叉排与顺排对散热器阻力特性影响仿真分析结果如图9所示从图9可以看出,当气体流速达到12m/s时叉排散热器压力损失比顺排散热器的高出约13.24%综合换热特性分析,叉排布置更能够提升散热器的换热效果

2.2.2管排数对散热器阻力特性影响分析

管排数对散热器阻力特性影响仿真分析结果如图10所示从图10可以看出,当气体流速达到12m/s,5排管散热器与3排管散热器相比压力损失大48.04%综合换热特性分析,管排数的增加虽然可以提升散热器的换热特性,但是压力损失较大,制造加工成本提高,实际应用中应酌情考虑

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2.2.3管长径对散热器阻力特性影响分析

管长径对散热器阻力特性影响仿真分析结果如图11所示从图11可以看出,在高流速状态下,19mm的管长径压力损失较大,在流速12m/s,19mm的管长径的散热器比9mm管长径的散热器压力损失大约48.92%分析其主要原因是热管与空气接触面积增加,导致压力损失呈非线性增长

结论

(1) 对模型进行仿真并与实验数据对比验证,二者数据拟合较好,可知该模型是准确的

(2)在对翼型散热器的结构改进优化时,管列管排间距增大对散热器的散热性能提升最为明显,但其增大会对压力损失有一定的影响,故在实际工程车辆中应用时应综合考虑

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