基于AMESim散热器串并联布置对性能影响分析

李 扬，李 鹏，杜少杰

（黄河交通学院汽车工程学院，河南 焦作 454950）

1 引言

发动机废气涡轮增加技术提升了发动机的动力性，同时使得进气温度上升，对进气量有一定的影响，因此，在一些大型车辆上一般配置有负载设备冷却系统，采用中低温散热器进行冷却散热。而中低温散热器与高温散热器通常组合在一起形成散热器模块，配置在车辆前端，通过冷却风扇强制散热，实现发动机的正常工作[1]。而两种散热器的布置形式，对散热效率有一定的影响，因此，对此进行研究具有一定的应用价值。

国内外学者对发动机散热进行一定研究：文献[2]采用风洞试验的方法，对散热器的质量风速与冷却效果之间关系进行研究；文献[3]采用一维软件建立发动机热管理系统模型，分析散热器和冷却风扇之间的匹配关系。

文献[4]采用三维软件建立散热器模型，分析结果参数对性能的影响规律。

文献[5]采用数值分析的方法，对散热系统的匹配性进行分析；文献[6]采用试验方法，分析散热器布置对冷却效果的影响。

针对散热器、中冷器、冷却风扇、冷却水泵等进行建模，基于AMESim搭建发动机热管理系统模型，结合试验参数对换热系数进行拟合，对系统的冷却效果进行分析；根据高温散热器和中低温散热器的不同布置形式，获取发动机进出口冷却液温度，对比两种布置形式的优缺点。

2 发动机热管理系统模型

2.1 发动机散热系统

发动机散热系统，如图1所示。系统主要包括散热器、中冷器、冷却风散、节温器等主要单元，各单元之间既有独立的循环系统，而相互之间又互相干涉，是一个复杂的热系统[7]。

图1 发动机散热系统Fig.1 Engine Cooling System

图2 特性曲线Fig.2 Characteristic Curve

2.2 发动机热管理系统模型

2.2.1 散热器参数

散热器和冷却风扇是重要的热交换单元，风扇带来的冷却风强制与散热器进行热交换，实现热量的转移。

二者均可通过风洞试验获取性能[8]，可写作如下式所示：

2.2.2 换热系数设置

假设整个换热过程无热量损失，发动机的散热全部通过散热器散发[9]，采用换热系数半经验公式：

式中：km、Ma、Mf、aair、bair—待定系数，各系数可通过逐次逼近的方式进行求解。散热器的换热系数宏程序，如图3所示。

图3 换热系数宏程序Fig.3 Heat Transfer Coefficient Macro Program

2.2.3 水泵参数设定

为了准确全面的表征离心泵的特性，需在一定转速下，将实验测得各项参数关系绘成一条曲线，即离心水泵的特性曲线[10]，如图4（a）所示。用ASCII写入AMESim的曲线，如图4（b）所示。

图4 水泵特性曲线Fig.4 Pump Characteristic Curve

3 发动机热管理模型

3.1 仿真模型

在AMESim 中建立发动机热管理模型[11]，结构图，如图5所示。

图5 冷却系统模型Fig.5 Cooling System Model

主要零部件的参数已在设计部分列出，其余整车结构和性能数据，如表1所示。

表1主要参数表Tab.1 Main Parameter List

3.2 计算结果分析

发动机达到额定转速1900rpm时，散热器内外流体分布，如图6、图7所示。

图6 散热器外流体热分布Fig.6 Heat Distribution Outside the Radiator

从图7（a）可以看出，经过换热呈现出的状态与之前一直，左低右高。从图7（b）～图7（d）可以看出，散热器液体流入口的温度最低，77.96℃，与入口位置越远温度越高，最高温度为92.03℃。

图7 散热器内流体热分布Fig.7 Heat Distribution in the Heat Sink

从图6（a）可以看出，经换热后，温度呈现出左低右高。从图6（b）～图6（d）可以看出，最右侧温度高达53.09℃，中间区域为25.01℃，而最左侧区域为21.16℃。

4 散热器串并联布置方式对比

4.1 散热器串联与并联安装

中冷器可以与散热器串联（前后布置），或并联布置（左右布置）[12-13]，如图8所示。

图8 布置形式Fig.8 Layout

串联布置可以增大散热器的正面面积，提高散热能力；并联布置最大的优点是可以减小风阻，降低散热器冷却空气的进口温度。

在原模型的基础上，将散热器和中冷器的正面面积减小，使中冷器和散热器并联，如图9所示。

图9 不同布置形式模型Fig.9 Different Layout Models

4.2 分析结果对比

环境温度和液体的初始温度均设置为20℃。减小正面面积的同时增大散热面积减小流体体积，采用图9并联布置考察比较两种冷却系统。经600s仿真结束后，内外流体具体的温度变化，如图10所示。

图10 流体温度变化曲线Fig.10 Fluid Temperature Curve

从图10（a）冷却液的温度变化曲线可以看出，发动机出水温度93.38℃，经过一系列的热交换，最后回到进水口的温度为87.59℃。发动机进出口温差5.79℃，满足发动机工作要求。散热器进出口温差7.81℃，满足散热要求。从图10（b）可知，冷却空气与中冷和高温散热器进行热交换后的温度分别为28.52℃和70.68℃。两种形式热分布对比，如图11所示。

图11 两种形式热分布对比Fig.11 Comparison of Heat Distribution Between the Two Systems

从图11可以看到两种冷却系统内流体和外流体的热分布情况，经监测，散热器冷却空气进气侧在并联系统中为环境温度，比串联系统温度降低4.55℃；散热器内冷却液温度自进水口至出水口递减，最高温度93.38℃，中间区域90.78℃，最低温度87.59℃。具体仿真数据对比，如表2所示。

从表2及图11可以看出，相对于串联的布置形式，将散热器和中冷器正面面积减半并联布置后，发动机出口温升提高1.41℃，回水温差提高2.22℃，对发动机的性能影响较小，但整车结构变得更加紧凑，空间得到了更加充分的利用。

表2 两种布置形式结果对比Tab.2 Comparison of the Result of the Two Layouts

5 结论

基于AMESim 发动机热管理模型，对串并联散热器性能进行对比分析，结果可知：

（1）散热器冷却空气进气侧在并联系统中为环境温度，比串联系统温度降低4.55℃；散热器内冷却液温度自进水口至出水口递减，最高温度93.38℃，中间区域90.78℃，最低温度87.59℃；

（2）相对于串联的布置形式，将散热器和中冷器正面面积减半并联布置后，发动机出口温升提高1.41℃，回水温差提高2.22℃，对发动机的性能影响较小，但整车结构变得更加紧凑，空间得到了更加充分的利用；

（3）相较于串联式布置，并联式布置形式可以使得中冷散热器和高温散热器都能更充分的散热，散热效果更优，但管道布置比并联式略复杂。