散熱器進(jìn)出口布置對(duì)流阻影響的仿真分析

段德昊 熊飛 朱林培 鄧達(dá)泰

摘 要：文章采用STAR-CCM+通用流體仿真程序，基于Realizable k-e湍流模型，完成了某純電動(dòng)車(chē)雙側(cè)散熱器在不同流量下流阻特性仿真分析，并通過(guò)相應(yīng)的水阻試驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了仿真方法的可靠性。然后結(jié)合實(shí)際工況，以冷卻液為流動(dòng)介質(zhì)，分別完成了散熱器雙側(cè)與單側(cè)設(shè)計(jì)在8L/min和10L/min兩種流量下的流阻特性分析。結(jié)果表明：在相同工況下，雙側(cè)進(jìn)出口設(shè)計(jì)流阻特性更優(yōu)，略小10%左右;此外，雙側(cè)水室內(nèi)壁面最大壓應(yīng)力也略小45%;且在一定范圍內(nèi)流量越大，兩者差值越大。

關(guān)鍵詞：汽車(chē)散熱器;STAR-CCM+;流阻;仿真

中圖分類(lèi)號(hào)：U464.138+.2? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? 文章編號(hào)：1671-7988（2019）12-113-03

Abstract： Numerical analysis on hydraulic resistance of a bilateral radiator in a battery electric vehicle was conducted with the general fluid simulation code STAR-CCM+ based on the Realizable k-e turbulence model. A good agreement between simulation results and experimental data with water media shows the effectiveness of the simulation method for hydraulic resistance of radiator. And then considering the real working condition and coolant， simulation on hydraulic resistance of bilateral radiator and unilateral radiator was carried out with coolant in flow rate of 8L/min and 10L/min respectively. Final results show that bilateral radiator has better performance with about 10% less hydraulic resistance and 45% less maximum wall pressure than unilateral radiator. Moreover， the difference becomes bigger along with the increasing flow rate within certain range.

Keywords： Radiator; STAR-CCM+; Hydraulic resistance; Numerical analysis

前言

散熱器是純電動(dòng)汽車(chē)電驅(qū)冷卻系統(tǒng)不可缺少的重要部件，它通過(guò)循環(huán)冷卻液與外界空氣對(duì)流進(jìn)行熱交換，保證系統(tǒng)在任何工況都能維持在合適溫度工作。散熱器流阻越大，消耗電機(jī)有效功率越大，故降低散熱器工作壓力，使電驅(qū)系統(tǒng)發(fā)揮最大效率，對(duì)散熱器設(shè)計(jì)至關(guān)重要[1]。

1 流體仿真的控制方程

計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)（CFD）仿真分析是基于流體力學(xué)連續(xù)性方程、動(dòng)量方程及能量方程三大守恒控制方程，并選擇合適的湍流近似模型，進(jìn)行數(shù)值離散迭代求解，獲得相關(guān)復(fù)雜流動(dòng)近似結(jié)果的分析方法，目前是解決復(fù)雜工程流動(dòng)問(wèn)題的高效手段。本散熱器冷卻液流動(dòng)可近似為低速不可壓定常流動(dòng)，由以下控制方程組進(jìn)行描述[2]。

1.1 連續(xù)性方程

其中i取1，2，3，代表坐標(biāo)系中u，v，w三個(gè)速度分量。下面i，j類(lèi)似代表三個(gè)坐標(biāo)方向分量。

1.2 動(dòng)量方程

1.3 湍流模型方程

考慮到散熱器內(nèi)部冷卻液在扁管與兩側(cè)水室過(guò)渡區(qū)域，進(jìn)出口等局部可能存在湍流和分離流動(dòng)，故選擇realizable k-ε 湍流模型近似[2]。

其中 ，湍流模型常數(shù)取值為： 。

2 散熱器建模與仿真求解

2.1 幾何模型

本文散熱器結(jié)構(gòu)如圖1所示，散熱器進(jìn)出口有單側(cè)和雙側(cè)兩種不同結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，進(jìn)出口皆為14mm等直徑圓管，中間每根扁管由兩個(gè)厚度1mm，寬度7mm的橢圓形細(xì)小槽道并列組成。考慮散熱器實(shí)際尺寸、扁管倒角等特征，盡可能保留散熱器內(nèi)部流道結(jié)構(gòu)特征。

2.2 仿真模型

散熱器網(wǎng)格采用混合網(wǎng)格劃分，兩側(cè)水室為多面體網(wǎng)格，中間扁管為三棱柱拉伸網(wǎng)格。在邊界層上，采用2層，總厚度0.5mm，增長(zhǎng)率為1.3。單側(cè)和雙側(cè)模型面網(wǎng)格采用0.5mm的三角形單元，體網(wǎng)格分別約650萬(wàn)和658萬(wàn)。經(jīng)網(wǎng)格無(wú)關(guān)性驗(yàn)證后，該網(wǎng)格量可以滿足計(jì)算精度。

2.3 邊界與求解設(shè)置

在散熱器進(jìn)口端面設(shè)置為質(zhì)量流量入口，出口端面為壓力出口，大小為0Pa，其它管壁為wall。本文以60℃冷卻液（體積比為50%的水和乙醇混合液）分析，密度1040kg/m3，動(dòng)力粘度1.65mPa·s，對(duì)比分析了8 L/min和10L/min時(shí)散熱器流阻和內(nèi)壁面最大壓應(yīng)力。

3 散熱器仿真方法驗(yàn)證

3.1 仿真方法的可靠性驗(yàn)證

按照雙側(cè)進(jìn)出口散熱器單體水阻試驗(yàn)結(jié)果，以60℃水為流動(dòng)介質(zhì)（密度983kg/m3，動(dòng)力粘度0.5mPa·s）完成相應(yīng)仿真分析，如表1所示，對(duì)比結(jié)果表明，同流量下仿真與試驗(yàn)流阻相對(duì)誤差在3%以內(nèi)，驗(yàn)證了方法的有效性。

4 散熱器仿真結(jié)果分析

針對(duì)某車(chē)型散熱器實(shí)際工況和流動(dòng)介質(zhì)，重點(diǎn)分析了冷卻液8L/min和10L/min兩種流量來(lái)評(píng)估散熱器流阻特性。基于上述經(jīng)驗(yàn)證的CFD分析方法，分析了實(shí)際工況下雙側(cè)和單側(cè)的差異。僅以10L/min流量結(jié)果作對(duì)比分析。

4.1 進(jìn)出口流阻特性對(duì)比分析

4.2 散熱器水室內(nèi)壁面最大應(yīng)力分析

取散熱器最大壓應(yīng)力存在部位，即入口部位，如圖6所示。

5 結(jié)論

對(duì)于純電動(dòng)車(chē)電機(jī)散熱器單體而言，在相同流量工況下：1）雙側(cè)布置比單側(cè)流阻特性更優(yōu)，略小10%左右;2）對(duì)于水室內(nèi)壁面壓應(yīng)力也略小45%左右;3）在一定范圍內(nèi)，雙側(cè)與單側(cè)散熱器的流阻差異隨冷卻液流量增大時(shí)有增大的趨勢(shì)。因此，若僅從散熱器流阻特性和對(duì)水室強(qiáng)度影響的角度，優(yōu)先選用雙側(cè)進(jìn)出口散熱器。

參考文獻(xiàn)

[1] 吳立平，林貴平等.管帶式汽車(chē)散熱器性能分析系統(tǒng)[J].北京汽車(chē)， 2005（1）：9-12.

[2] 王福軍.計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)分析[M].北京：清華大學(xué)出版社.

[3] 田杰安等.基于CFD的散熱器結(jié)構(gòu)優(yōu)化[J].內(nèi)燃機(jī)與動(dòng)力裝置， 2012（4）：40-42.

[4] 王維等.層疊式蒸發(fā)器建模與仿真研究[D].南京農(nóng)業(yè)大學(xué)，2008（6）： 25-27.

[5] 張書(shū)義，劉松等.基于Fluent的汽車(chē)散熱器熱耦合仿真[J].汽車(chē)實(shí)用技術(shù)，2016（6）：88-91.