基于Fluent仿真模拟的车辆散热器外形优化研究

冯燕燕，李义林，王丽华

Feng Yanyan，Li Yilin，Wang Lihua

（重庆长安汽车股份有限公司，重庆 400023）

0 引 言

随着人们对车辆载重能力的要求逐渐提高，制造商必须不断地提升发动机的功率和性能,这使得提高发动机冷却性能成为必要。发动机理想的散热条件是保证有充足的气流通过散热器芯体，使冷却介质带走足够多的热量。散热器外形是影响流经的气流形式的主要因素，良好的散热器外形可以保证更多的气流通过并可消除回流现象，减小气流外泄露量。因此，散热器外形的优化设计成为改进发动机冷却性能的重要措施。

传统研发汽车产品的方法往往需要预先制作许多样车并进行路试试验，但其成本非常高，且试验周期长，不利于产品的研发进展。目前，计算流体动力学 CFD（Computational Fluid Dynamics）技术被广泛用于汽车领域流体热力学的仿真模拟，被证实是一个可靠、强大的研发工具。文中以某车型发动机作为研究对象，对原型散热器进气气流形式进行数值模拟分析。在此基础上，采用已验证的CFD模型模拟比较4种不同外形散热器进气气流形式，目的是为了掌握其各自的气流分布形式，优化散热器外形，以求提高散热器的冷却效率及发动机的冷却性能。

1 散热器气流分布测试试验

根据本散热器构造组成，研究将一个与其结构类似的，经过改进的散热器设备平台作为试验对象，其构造如图 1所示。试验条件：一是认为车辆是静止不动的；二是将环境压力设为大气压101325 Pa，温度为当时试验室内温度34℃。为了获得散热器内气流分布形式，将风速计微探针安装其内，具体测点位置如图 2所示。试验所测数据将为CFD模型的可靠性验证提供依据。

2 CFD理论模型

1）物理模型设置

（1）将进气流动视为稳态湍流流动；

（2）由于气流速度不大，认为是不可压缩流动；

（3）忽略空气湿度影响，将流体介质设为干空气，温度设为34℃；

（4）采用标准k-ε湍流模型及标准壁面函数法处理近壁区域；

（5）所有变量迭代格式采用二阶迎风格式，求解器为基于压力-速度耦合的Simple算法。

2）边界条件设置

（1）进口边界设为质量流量进口；出口边界设为压力出口。

（2）风扇边界采用压强跃升边界模型，压强跃升函数如式（1）。

其中，ΔP为压强跃升量，U为风扇速度，Cn为多项式系数。

（3）散热器芯体采用多孔介质边界模型，压强损失函数如式（2）。

其中，ΔP为压强损失量，U为速度，A、B为拟合系数。

（4）散热器壁视为绝热边界。

2.1 CFD模拟计算

关于不同外形散热器进气气流形式的模拟采用商用CFD软件Fluent求解器计算，前处理采用Hypermesh和T-Grid程序分别进行面网格、体网格划分。为使迭代过程更稳定，求解时先采用一阶迎风格式，待计算稳定后改用二阶迎风格式进行求解，求解残差设为1.0E-6。

2.2 模型介绍

针对原有散热器模型（base case）进气气流形式的特点，文中提出了 4种改进型护风罩外形，分别为case1、case2、case3和case4，其各自外形特征如图 4（a）、（b）、（c）和（d）所示。

3 结果与分析

为了更直观、清晰地观察散热器内部气流分布形式，Fluent求解完后，采用后处理模块对计算结果进行可视化处理。图3为原散热器模型（base case）内部气流速度矢量分布云图，从图3（a）中看出，在散热器上部位置存在一个强烈的回流区域，且散热器周围的气流泄露量较大，如图3（b）所示。

图4分别为 case1、case2、case3和case4模型截面速度矢量分布云图。从图中可以看出，对照 base case流场分布，case1内部气流场并未见到回流强烈区域，回流现象得到了有效的改善；从case2流场分布云图可以看到，虽然存在回流区域，但该区域较base case小很多，影响作用较弱；case3流场分布与case1相似，但回流区域较之要小，流场分布更有利于气流通过；case4较其他4个模型，回流现象基本消除，流场分布较理想，且 case4中气流泄露明显减弱，如图5所示。

流场中存在回流现象，不仅不利于冷却介质将发动机中的热量带走，也会影响气流通过散热器芯体的速率。图6为base case和4种改进外形散热器内部进气速率测点平均值。从图可知，气流通过case4散热器的平均速率为5.6 m/s，较base case散热器气流通过速率4.2 m/s提高35%。其余3种外形散热器均较base case有所提高，提高幅度分别为26%，32%和32%。

4 总 结

为了提高发动机的冷却性能，提升散热器的冷却效率，结合CFD模拟计算和实测试验对原散热器模型气流形式进行研究。研究结果表明：1）原散热器模型流场存在较大的回流区域，导致通气量较小；另外，原散热器设计导致气流泄露量较大，不利于带走热量。2）CFD模拟结果与试验值吻合较好，证明了CFD模型的可信性。基于验证的CFD模型，文中对4种改进外形的散热器护风罩进行模拟研究，结果发现，4种模型内部的气流场均较原模型要好，回流现象有减弱或消除趋势，泄露现象也得到了较好改善，气流通过量相比原模型有所增加，最大提高35%。

通过本研究可知，采用CFD技术可以有效地模拟汽车冷却系统，并进行优化设计，能够大大缩短研发时间和降低研发成本。

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