百叶窗翅片式散热器性能数值模拟与优化

王维伟，郑再象，刘龙婷，王辉，王世楠

百叶窗翅片式散热器性能数值模拟与优化

王维伟，郑再象*，刘龙婷，王辉，王世楠

（扬州大学机械工程学院，江苏 扬州 225009 ）

文章以某百叶窗翅片式散热器为研究对象，取传热因子、摩擦因子、综合性能因子为量化指标，借助Fluent软件模拟散热器在不同工况下的流场、温度场及压力场分布情况，研究散热器的传热及流阻性能，并通过风洞试验验证仿真结果的可靠性。结合试验结果设计了一种新型孔状百叶窗翅片散热器，与传统百叶窗翅片散热器相比，传热因子最大提高了14.6%，摩擦因子最大减小了9.8%，综合性能因子提高了9.8%-14%，传热及流阻性能有明显提升。

孔状翅片；散热器；数值模拟；风洞试验

前言

随着车辆排放标准的不断提高，发动机向着“高功率、低排放、轻量化”的方向发展，发动机转速上升，比功率增大，所产生的热负荷也增加，导致机件强度降低，易发生塑性变形，影响部件的配合间隙，减少零件的使用寿命。[1-3]散热器是发动机冷却系统的关键部件，采用经验法设计，常导致散热性能不足，流阻过大，不能满足实际需求，且试验时间和经费较多。[4-6]本文以某汽车发动机百叶窗翅片散热器为研究对象，借助Fluent软件，分析不同工况下热散器的散热和流阻性能，为散热器的设计提供一种新的设计和优化方法。

1 仿真试验设计及数值模拟分析

1.1 结构分析

散热芯为散热器主要的工作部件，外形呈长方体状，外部连接着进出水管、固定机构等，内部由翅片、水管等构成，其外形尺寸为704 mm×542 mm×26mm，百叶窗翅片数量为64片，间距1.1mm，角度为23°，材料选用3003铝合金。

1.2 建立有限模型

散热芯由水管和翅片构成，外形尺寸大，翅片数量多，局部结构精细，如果单元尺寸大，则网格质量差，影响计算精度；如果单元尺寸小，则单元数量大，计算效率低，因此需要对计算模型进行简化。因流体在散热芯上的流动具有周期性和对称性，取百叶窗翅片的一半，以管壁代替散热水管建立有限元模型，忽略流体重力对散热器性能的影响，适当放大流体域。简化传热过程，定义翅片为发热壁面，表面温度恒定358.15K。所建立的百叶窗翅片简化有限元模型如图1所示。

图1 百叶窗翅片简化有限元模型

1.3 边界条件设定

设定入口风速4、6、10m/s三种工况，流体温度恒定298.15K。出口边界条件为自由流出。百叶窗翅片结构具有对称性和周期性，为减小计算工作量，将百叶窗翅片剖面定义为对称性symmetry边界条件，计算域上下平面设定为周期性边界条件。[7][8]

1.4 数值模拟结果分析

表1给出了3种工况下百叶窗翅片流场的温度、速度、压力分布情况。从表中可知，进口风速越快，翅片冷却效果越明显，散热器出口流速和最大流速越快，同时空气侧压降也越大。这是因为在低流速时，空气在翅片表面停留时间较长，热量不能及时带出，散热效果较差。相反在高空气流速时，气流在百叶窗的切削作用下，使翅片表面流体边界层变薄，最大流速和出口流速加快，此时翅片表明最小温度由340K降至331K，出口温度也由337K降至328K，散热效果更明显。同时随着进口风速的升高，百叶窗扰流作用加大，脉动阻力也随之增加，最大流速的增幅由83.5%降低至76.7%，空气侧压降由38.2Pa增加至181.9Pa。

表1 数值模拟结果

图2给出了进口风速6m/s时散热器的速度、温度和压力分布云图。从图2（a）中可以看出，空气在百叶窗结构的干扰下，流速逐渐上升至最高10.6m/s，通过百叶窗区域后，逐渐减缓至6.38m/s。图2（b）中，冷却空气进入百叶窗后与高温翅片进行热交换，流出翅片区域时温度升至最高，最终在散热器末端与主流区冷空气会合，温度降至平缓流出。热对流交换过程中，翅片前半部分冷却空气由298K上升至319K，而后半部分由322K上升到331K，前者换热更明显，冷却效果更好。从图（2）c可知，空气进入散热器后百叶窗截面厚度阻挡空气流通，压力升高，通过百叶窗区域后，压力在脉动阻力和摩擦阻力的作用下不断减小。

2 风筒试验及性能分析

2.1 风筒试验

试验台由循环水加热装置、风筒循环水路、风机、水泵、测试仪器及控制设备组成，在散热器上选取20个均匀分布的测温点，每个测温点放置一片铜镍合金的热电偶，用于检测散热器温度变化。[9]试验室内温度为25℃，风筒入口温度恒定为85℃，空气流速分别设置为2m/s、4m/s、6m/s、8m/s、10m/s。

2.2 试验数据处理

假设空气为不可压缩流体，散热器性能评价指标：传热因子、摩擦因子、综合性能因子计算公式分别如下：

传热因子及摩擦因子：

式中：——普朗特数；——空气密度kg/m3；——速度m/s；——表示计算流域的长度m

综合性能评价因子考虑了传热和流阻两方面的性能，为=1⁄3。

对试验与模拟仿真结果按上述公式进行计算处理，得出各项评价指标数据对比，结果如图3所示：

图3 试验与仿真结果对比

对比试验与仿真结果，两者误差较小且变化趋势一致。分析误差产生原因有以下几种：（1）仿真模型由实物的简化得到，两者存在误差（2）仿真试验忽略了冷却管壁的导热作用。（3）试验台设备精度影响最终结果。

3 新型孔状百叶窗翅片散热器

结合上文的研究，提出一种新型孔状百叶窗翅片散热器。一方面孔状翅片可以有效地减少散热器质量，一定程度上实现轻量化。另一方面可以使空气沿着孔流动，加快空气流速增强翅片的扰动作用，提高换热系数达到提高散热性能的效果。

对新型孔状百叶窗翅片进行散热及流阻性能研究，取入口空气流速6m/s的仿真结果对比分析，如图4所示：

图4 空气流速6m/s时温度与压力分布

由图4（a）可见孔状翅片出口处温度较传统翅片温度更低，散热效果更优。图4（b）展现了由于孔状翅片结构，空气通过的速度变快，摩擦阻力较小，所产生的压降较传统翅片散热器更小。

对比传统翅片与新型孔状翅片的性能指标，如图5所示。两者性能指标的变化趋势大体一致，孔状翅片散热器性能优于传统翅片。其中传热因子最大增幅为14.6%，摩擦因子最大降幅为9.8%，综合评价因子增幅在9.8%-14%。

图5 新型孔状翅片与传统翅片性能对比

4 总结

本文通过对某百叶窗翅片式散热器在不同入口风速下流阻、传热及综合性能研究，得出以下结论：

（1）对比百叶窗翅片数值模拟与试验的结果，两者误差在10%以内，证明该方法可靠。

（2）随着入口风速的提高，散热器各项性能评价指标均呈抛物线式下降。

（3）对比传统翅片散热器，新型孔状翅片散热器在流阻性能、传热性能及综合性能方面更优。

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Numerical Simulation and Optimization of Shutter Fin Radiator Performance

Wang Weiwei, Zheng Zaixiang*, Liu Longting, Wang Hui, Wang Shinan

( School of mechanical engineering, Yangzhou university, Jiangsu Yangzhou 225009 )

In this paper, a shutter finned radiator is taken as the research object. heat transfer factorand friction factor, comprehensive performance factoras quantitative indicators, Fluent software was used to simulate the distribution of flow field, temperature field and pressure field of radiator under different working conditions. The performance of heat transfer and flow resistance of radiator is studied, and the reliability of simulation results is verified by wind tunnel test. Combined with the experimental results, a new type of finned louver radiator is designed. Compared with the traditional louver finned radiator, the heat transfer factor increases by 14.6%, the friction factor decreases by 9.8%, the comprehensive performance factor increases by 9.8%-14%, and the heat transfer and flow resistance performance is significantly improved.

Pore fin; Radiator; Numerical simulation; Wind tunnel tests

10.16638/j.cnki.1671-7988.2021.02.021

U464.138.2

A

1671-7988(2021)02-66-04

U464.138.2

A

1671-7988(2021)02-66-04

王维伟，硕士研究生，就读于扬州大学机械工程学院，从事车身结构与流体研究。

郑再象，就职于扬州大学机械工程学院。