环境温度对车用散热器性能的影响

刘泽砚

摘要：为了掌握季节变化对车用散热器性能的影响，针对管带式散热器，建立了散热器换热管的二维稳态流动传热模型，研究了环境温度变化对散热器性能的影响规律。研究结果表明：随着环境温度下降，散热器的散热性能提升，换热管与空气交界处上侧换热量呈上升趋势，入口空气温度变化对换热管换热量有明显影响。

关键词：散热器;环境温度;换热管

中图分类号：U464.138.2                                 文献标识码：A                                文章编号：1674-957X（2020）22-0040-02

0  引言

汽车已经是人类日常生活不可或缺的重要组成部分。1886年1月26日德国人卡尔·奔驰得到了他关于汽车的专利，这也标志着第一辆汽车的诞生。汽车的出现是人类史上交通工具领域的一个巨大飞跃，是人类每天可活动的范围拓展了几十倍至上百倍，使得人类生活有了巨大的改变。中国汽车产销量连续八年保持全球首位，自2016年至今，每年的产销量都可达2800万辆以上。同时，近年来在国家大力发展新能源汽车的战略支持下，中国的新能源汽车飞速发展，2019年新能源汽车产销分别完成124.2万辆（纯电动汽车占82%、插电式混合动力汽车占17.8%和燃料电池汽车占0.2%）和120.6万辆（纯电动汽车占80.6%、插电式混合动力汽车占19.1%和燃料电池汽车占0.3%），位居世界前列。[1-2]

中国汽车的快速发展，也拉动了大量汽车核心组件行业的同时高速发展。散热器作为汽车热管理系统的核心组成部分，承担了整个发动机或电池包的散热工作，将汽车运行过程中无法转化为机械能而产生的热能及时释放，使发动机或电池包维持在一个适宜的工作温度范围。所以，高性能的散热器在汽车制造业和汽车服务业中均具有巨大的市场需求。[3]然而，中国属季风性气候区，夏冬气温分布差异明显，气温分布特点为：南热北冷，冬季气温普遍偏低。主要原因在于：冬季太阳直射南半球，北半球获得太阳能量少，纬度跨度大，冬季盛行冬季风。夏季全国大部分地区普遍高温（除青藏高原外），南北温差不大。主要原因在于：夏季太阳直射北半球，北半球获得热量多;夏季盛行夏季风，我国大部分地区气温上升到最高值;夏季太阳高度大，纬度越高，白昼时间越长，减缓了南北接受太阳光热的差异。可见，四季变化会带来明显的环境温度变化，这使散热器空气侧温度出现较大的变化，从而会影响到散热器的工作。因此，掌握季节变化对散热器性能的影响规律，有利于散热器的结构改进。[4-5]

在车用散热器性能研究方面，Park[6]建立了发动机热平衡模型，结果表明，整个系统的燃油效率、冷却损失和摩擦损失均有所改善。Mao[7]建立了多孔翅片管结构交叉流凝汽器模型，结果表明，气流分布不均匀也会降低换热率，而下降趋势随着制冷剂流量的增大而增大。Vaisi[8]研究了百叶窗式翅片上的空气侧传热和压降特性，结果表明，对称鳍片比不对称鳍片具有更好的性能，对称的热交换器重量更轻。田杰安[9]建立了散热器的热流固耦合计算模型，着重分析了在散热器厚度方向不同区域的散热性能。吴娟[10]对车载散热器进行结构优化分析，实验表明，两款不同芯厚的散热器散热性能相近，能够满足冷却系统的水温要求，从散热器市场成本方面出考虑优化效果，为以后的冷却系统优化设计提供了新的研究思路。孙红运[11]以散热器小号材料最少为优化目标对管带式散热器参数进行优化，有效的降低了生产成本，对散热器设计提供了理论依据。漆杰[12]对散热器材料的轻量化应用以及对其结构进行了优化，实现了散热器总成降重达22%，对散热器轻量化具有重大指导意义。

综上所述，前人对散热器性能开展了一定的研究探索，但是针对季节变化对散热器性能的影响尚未系统认识。所以本文以季节变化为主要影響因素，分析环境温度变化对散热器工作性能的影响规律，以期为散热器设计提供一定基础理论支持。

1  计算模型与研究范围

由于散热器的换热管为对称结构，因此本文以换热管截面的长轴为对称轴，构建了1/2散热器单换热管流动传热模型，模型结构如图1所示。换热管端头为椭圆形，长径比为2，换热管壁厚0.5mm，入口风速为5m/s。基于华南地区四季温度变化情况，本文选取环境温度的变化范围为15-35℃（288-308K）。

2  结果与分析

图2为不同环境温度对散热器换热性能的影响，由图2（a）可知：当环境温度升高时，迎风侧前段的变化相对其他位置比较小，在换热管与空气交界处上侧温度变化最为明显。主要原因：一是因为前段的温度变化受空气速度和结构的影响大;二是因为中后段的温度变化主要受到气流流动的影响比较小，对空气的物理属性的要求比较高，所以入口空气温度越低，换热管交界处温度越低。由图2（b）可知：换热管表面压力不受到进气温度的影响，而进口空气流速不变，故改变进气温度时表面压力不变。

图3为不同环境温度对换热管表面换热量的影响，由图可知：随着X的增大，换热量逐渐出现变化，在换热管与空气交界处上侧的变化最为明显，在背风侧时换热量变化开始变小。原因：迎风侧和背风侧受到空气流动速度的影响较大，这两处的空气流动变化比较明显，换热量随温度变化较小;中间位置空气流动状态稳定，换热量受冷却空气温度影响较大，故中间上侧的换热量变化明显。

结合以上分析以及图线随进口温度改变的变化情况，得出以下结论：

①环境温度下降可以提高空气与换热管表面的换热量，轻微提高表面空气流动速度;

②换热管与空气的交界处上侧的换热受环境温度影响较强，随着环境温度下降，换热管与空气交界处上侧换热量明显上升。

3  结论

本文构建了1/2散热器换热管流动传热模型，研究了环境温度变化对散热器换热性能的影响规律，主要结论为：环境温度下降可以提高空气与换热管表面的换热量，散热器性能下降;换热管与空气的交界处上侧的换热受环境温度影响较强，随着环境温度下降，换热管与空气交界处上侧换热量明显上升。

参考文献：

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