管带式散热器翅片振动传热仿真研究

程宏伟，杨学锋，邓建新，冯振山，李 磊，谷才宝

（1.山东大学机械工程学院，山东 济南 250061；2.山东同创汽车散热装置股份有限公司，山东 泰安 271400；3.济南大学机械工程学院，山东 济南 250022）

管带式散热器因具有结构简单、散热效率高和制造成本低等特点被广泛用于车辆冷却系中，是水冷式冷却系统的重要装置［1］。散热器中百叶窗翅片结构不仅增加了空气与扁管的换热时间，而且起到二次传热的作用，对散热影响甚大，国内外许多学者对此有大量研究 ，其中仿真研究由于节约费用、操作便捷等优势发展迅速。Oliet讨论了翅片参数对传热的影响［2］；Atkinson和Perrotin的研究表明3D模型比2D 模型具有更高的精度［3－4］；DeJong指出当空气沿百叶窗通道流动时，翅片换热效果较好，流动与Re有关［5］；Zhang对百叶窗翅片热尾迹进行分类，指出当上游百叶窗热尾迹干扰到相邻翅片下游百叶窗时传热较好［6］。然而现有的翅片百叶窗结构已经充分优化，很难通过改变参数大幅度提高散热性能，因此必须寻求新的思路。振动强化传热技术一直备受关注，散热器实际工作的振动环境为这项技术的应用提供了较大可能。因此，对散热器进行振动传热研究，进而利用这项技术实现强化传热，对企业节能降耗和提高经济效益意义深远。

管带式散热器芯体是通过钎焊将扁管和散热带连在一起，并由上、下主片和护板定位形成；而散热器通过侧板或凸起与汽车悬架连接，为了减振，在连接处会放置弹性垫圈，当汽车正常行驶时，路面不平和发动机运转会引起汽车振动，此时整个散热器也会跟随汽车作受迫振动，如果能改变散热器与汽车的连接方式（弹簧或其他弹性装置），使散热器原有的振动增大，即可实现增强散热的效果。散热器的振动可以是空间3个方向上的，而其热阻主要来源于气侧，且翅片在气侧传热起主要作用，因此，本研究仅讨论垂直于翅片方向的振动对其传热性能的影响，此时扁管的振动方向与管内流体流向平行，振动对其两侧换热影响不大，文中不作讨论。百叶窗翅片是散热器的重要结构，流动和传热特性复杂，对传热效率影响较大，通过仿真探讨振动对其散热性能的影响规律，可以为进一步研究散热器强化传热提供重要依据。

1 计算模型

建立了翅片二维仿真模型，借助UDF功能实现壁面振动，计算区域及边界条件见图1。区域左侧壁面为速度入口边界，速度为u，来流温度为300K；右侧壁面为压力出口边界，p＝0；3个翅片为运动壁面，与流体进行对流换热，采用第一类换热边界，温度为358K，速度规律为

式中：A为振幅；f为频率。

入口风速u决定计算区域流动特点，为了研究层流时的振动传热，并考虑计算机的运算能力和准确性，u值取为2，3.5，5，6.5，8，9.5m/s；汽车行驶时散热器作随机振动，其振动频率难以确定，QC/T468—2010等有关标准规定，散热器耐振动性能试验中频率为20Hz（乘用车）或23Hz（商用车），而汽车通常作低频受迫振动［7］，由此选取仿真频率f为1，5，10，20Hz；对于振幅的选择，主要考虑散热器的安装空间限制，同时也兼顾仿真的计算量，最后选取A 的值为1，2，4，6mm。

由于仿真中使用了动网格技术，网格划分单元选取为三角形，并对翅片附近及运动区域进行了较密的网格划分，通过网格无关性检查确定翅片附近网格大小，风速u为2～5m/s时，网格为0.1mm；风速u为6.5～9.5m/s时，网格为0.04mm。

计算采用层流模型，求解器选为非稳态隐式法，压力速度耦合采用SIMPLEC算法，速度和能量方程离散采用QUICK格式。

2 结果及分析

2.1 流场和流动特点

由图2可以看出，翅片无振动和振动速度v＝0.13m/s时气流主要沿翅片间通道流动，而较少沿百叶窗流动。百叶窗附近边界层较厚，阻塞了百叶窗通道，从而阻止气流流动，不利于翅片的对流换热。上述情况在第2组百叶窗上反映得更加明显，这是由于空气阻力减缓了翅片后半程通道的气流流速。当振动速度v＝0.5m/s时，百叶窗边界层减薄，通道流速增大，百叶窗分流作用逐渐体现，特别是第2组百叶窗，其流动状态变化明显，整个翅片区域流速增大，对散热有非常积极的作用。

由图3可以看出，相对于无振动，翅片振动时空气沿百叶窗流动的比例增加，翅片及百叶窗附近边界层变薄，但这种差异没有图2中的差异明显，而且v＝0.5m/s与v＝0.13m/s（图3b）时的流场差异也是如此，这说明当风速增大时，振动对流场的扰动会减弱。

对比图2和图3可以发现，振动能对空气形成扰动，阻碍边界层的生长，改变气流方向，而扰动的剧烈程度与翅片振动速度和风速有关，即随振动速度增大和风速减小而增大。

为了更加直观地反映振动对百叶窗翅片结构中流动的影响，可用绘制流体粒子迹线的方法来形象描述。在翅片2上临近第1个百叶窗的位置，取垂直方向半径为0.1mm范围内的25个点绘制迹线。图4和图5示出了风速为2m/s和9.5m/s时不同振动条件下的迹线。由图可以看出，风速为2m/s时，振动条件下粒子沿翅片方向（x轴正向）的流动距离变短，在未完全穿过翅片区域时就撞击到翅片或百叶窗上，即粒子的流动线路发生很大的变动，使流向百叶窗通道的粒子增加，而振动速度v＝0.5m/s时，这种改变更加明显，粒子在第1组百叶窗之前就全部改变了流向，从而造成了迹线的中断。当风速为9.5m/s时，振动虽然也能改变粒子流向，但作用减弱，粒子沿翅片方向的流动距离变长，但v＝0.5m/s时依然可以发现大部分粒子会提前撞上翅片，只有少数粒子穿出；相对于u＝2m/s而言，u＝9.5m/s时有较多的粒子穿过第2组百叶窗，并发生偏转。

通过粒子的迹线规律可以发现，振动确实能改变翅片通道中粒子的运动轨迹，使粒子更多地撞击到百叶窗上或沿百叶窗通道流动，从而减薄了边界层，且迹线随振动速度和入口风速的变化规律与图2和图3中流场的变化规律一致。

2.2 温度场

图6示出了风速为2m/s时不同振动参数下的温度场分布。由图可以看出，当无振动和振动速度较小时，第1组百叶窗中温度分布增长较快，迅速接近翅片温度，而第2组百叶窗的空气平均温度很高，导致翅片达到热饱和而使传热性能恶化，此时翅片更多地扮演了增大流动阻力的角色。当振动速度较高时，翅片后半程气流平均温度明显降低，传热性能得到一定改善。Zhang提出用热尾迹特点来评判传热的优劣［6］，热尾迹分为两种：一种为翅片内干扰型，指上游百叶窗热尾迹对同一翅片上的下游百叶窗形成干扰，这种特点的热尾迹传热效果较差；另一种为翅片间干扰型热尾迹，指上游百叶窗热尾迹对相邻翅片的下游百叶窗形成干扰，这时传热较好。对比图6中翅片2的第1组百叶窗热尾迹可以看出，无振动时热尾迹为翅片内干扰型，振动速度大时热尾迹为翅片间干扰型。

图7示出了风速为9.5m/s时的温度场。与图6相比，图7所示翅片区域平均温度大幅降低，百叶窗散热效果显著提升，振动与无振动相比温度场变化不明显。观察热尾迹可以发现，第1组百叶窗为典型的翅片间干扰型，第2组百叶窗虽然为翅片内干扰型，但当上游热尾迹到达下游百叶窗时已变淡变弱，对散热影响相对较小。

由上述分析可以发现，低风速下，振动能降低空气平均温度，帮助形成利于散热的热尾迹类型，有效改善传热条件，振动速度大时效果明显；高风速时，百叶窗的传热环境显著改善，此时振动强化传热效果不明显，需要更大的振动速度才能奏效。

2.3 传热性能

Fluent可直接输出壁面热流密度［7－8］，对于恒温壁面，其热流密度按式（2）计算：

式中：λ为流体介质热导率；n为所求表面处法向量；▽T为所求表面处温度梯度。

当不考虑翅片结构参数对传热的影响时，用热流密度描述换热性能更加直观、方便。仿真得到了不同振动参数下1/4振动周期内翅片2的平均热流密度，根据仿真结果得出：u＝2m/s，振动速度v＝0.13m/s情况下，q相对无振动时增加12.81%，v＝0.5m/s时q增加51.50%；u＝9.5m/s时，v＝0.13m/s与0.5m/s下，q分别增加2.83%和14.74%，说明振动对传热的增强随风速的增大而降低，这与流场及温度场的分析结果一致。

图8与图9示出了振幅和频率对热流密度的影响。由图可以看出，q随振幅、频率和风速的增大而增大，而当风速增大时，振动强化传热的效果先增强后减弱，当u＝5m/s时强化传热效果最好，此时，f＝20Hz时q提高34.50%，A＝6mm时q提高16.72%；在高风速及较小振幅与频率下，会出现热流密度降低的情况。热流密度变化的原因是随着风速与振动的加强，翅片边界层变薄，流过百叶窗的气流增多，空气平均温度降低，这都有利于改善散热条件，增强对流换热，故q增大。此外，由于振动速度相对于风速而言较小，振动对流场分布仅起到干扰作用，而非决定作用，此时有两种矛盾因素共同影响热流密度变化，即随着风速的增加，一方面振动对流场的干扰减弱，强化传热减弱；另一方面热流密度值对流场的变化更加敏感，小的扰动就能引起q较大的变化，虽然较高风速下流场的扰动减弱，但q的起伏会变大。由图可以看出，u＜5m/s时，第二方面因素占主导，u＞5m/s时，第一方面因素占主导，故强化传热效果呈先增后减趋势，最终作用消失，甚至出现不利于换热的情况。需要强调的是上述强化传热效果的评判主要以q的绝对增量为衡量标准，故其变化规律可能与q百分比增量不太一致。通过计算可以发现，当A＝4mm，f＝20Hz，u＝2m/s时q提升比例最大，达到51.50%。

图10示出了振动速度对热流密度的影响。由图可以看出，q实际上随振动速度的增大而增大，提高振幅和频率都可以增大振动速度，从而提升换热性能，但两者的影响效果有差异，当v＝0.13m/s时，A＝2mm，f＝10Hz的q值高于A＝4mm，f＝5Hz时的值，例如，u＝5m/s时，前者q提高16.35%，后者为 14.49%；另外，由图 8 可知，当A＞4mm时，继续增大振幅热流密度变化不明显；而由图9知，不断提高频率，q可显著提高；由此说明，对于振动强化传热，频率的作用大于振幅。

3 结论

a）振动可以对流场和温度场形成扰动，改变粒子的运动轨迹，迫使气体沿百叶窗通道流动，使边界层变薄，并且有利于百叶窗形成翅片间干扰型热尾迹或较淡的翅片内干扰型热尾迹，降低翅片通道平均温度，达到改善换热的效果；

b）振动可提高翅片表面平均热流密度，q随振动强度和入口风速的增大而增大，其中振幅的影响弱于频率，增大振幅q最大可提高22.92%，而增大频率q最高可提升51.50%；

c）振动对流场和温度场的扰动随入口风速的增大而减弱，而振动强化效果随风速增加呈先增后减趋势，u＝5m/s时效果最好，此时，f＝20Hz时，q提高34.50%；A＝6mm 时，q增大16.72%；在入口风速不足以形成湍流之前，增大振动速度始终可以获得较明显的强化传热效果。

［1］ 沈 键，杨学锋.汽车散热器企业的发展现状及散热器发展前景［J］.科技创新导报，2010，12（9）：12.

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