弧形涡发生器对车用散热器的影响研究.pdf
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1、第 61 卷 第 9 期Vol.61 No.92023 年 9 月September 2023农业装备与车辆工程AGRICULTURAL EQUIPMENT&VEHICLE ENGINEERINGdoi:10.3969/j.issn.1673-3142.2023.09.004弧形涡发生器对车用散热器的影响研究马宗鹏,黄瑛(550025 贵州省 贵阳市 贵州大学 机械工程学院)摘要 车用散热器的翅片结构对其散热性能影响很大。在现有收腰管和平翅片的基础上对平翅片的结构进行了优化,开发了 3 种新型翅片(弧形涡发生器 1#、2#、3#)。基于 Fluent 软件进行 CFD 建模,研究了 214 m
2、/s 空气速度下各翅片的传热和阻力性能。结果表明,设置弧形涡发生器通过改变空气的流场状态可以有效提升收腰管散热器的传热性能;当空气入口速度为 14 m/s 时,弧形涡发生器 1#、弧形涡发生器 2#和弧形涡发生器 3#的努塞尔数分别提高了 7.9%、10.8%和 10.9%。综合评价 3 种新型翅片的性能,在各空气速度下,新型翅片均优于平翅片。关键词 翅片结构;新型翅片;弧形涡发生器;收腰管;综合传热性能 中图分类号 TH16;TK172 文献标志码 A 文章编号 1673-3142(2023)09-0017-05引用格式:马宗鹏,黄瑛.弧形涡发生器对车用散热器的影响研究 J.农业装备与车辆工
3、程,2023,61(9):17-20,61.Research on the influence of curved vortex generator on vehicle radiatorMA Zongpeng,HUANG Ying(Department of Mechanical Engineering,Guizhou University,Guiyang 550025,Guizhou,China)Abstract The fin structure of vehicle radiator has great influence on its heat dissipation perform
4、ance.Based on the existing wasp-waisted tube and flat fin,the structure of flat fin was optimized,and three new types of fin(arc vortex generator 1#,arc vortex generator 2#and arc vortex generator 3#)were developed.CFD modeling was carried out based on Fluent software,and the heat transfer performan
5、ce and drag performance of each fin were studied under the air velocity of 2 m/s to 14 m/s.The research showed that setting the arc vortex generator could effectively improve the heat transfer performance of the wasp-waisted tube radiator by changing the state of air flow field.When the air inlet ve
6、locity was 14 m/s,the Nusselt number of arc vortex generator 1#,arc vortex generator 2#and arc vortex generator 3#were increased by 7.9%,10.8%and 10.9%,respectively.Through the comprehensive evaluation of the three new fins,the new fins were superior to the flat fins at all air speeds.Key words fin
7、structure;new type fin;arc vortex generator;wasp-waisted tube;comprehensive heat transfer performance0 引言汽车散热器可以有效避免发动机过热,保证发动机在合适的温度下运作,是发动机冷却系统必不可少的组成部分,其散热性能将直接影响车辆的运行性能和使用寿命。随着现代汽车工业的发展和节能减排要求的日益提高、各类高科技产品在汽车上的应用以及汽车散热器恶劣的工作环境,对汽车散热器的散热性能有了更高的要求1-4。管片装配式散热器是目前应用较为广泛的散热器之一,其散热芯体由大量的翅片和管组成,结构如图 1
8、所示,翅片的结构对散热器的散热性能有重要影响。李娟等5利用数值分析得到了横排三角形多孔翅片的传热性能,通过验证不同开孔率,得到开孔率与传热性能成正相关;刘亚东等6对安装锯齿形涡发生器的散热器模型进行了数值仿真,分析了不同涡发生器下的 JF 因子,研究结果表明,散热器的传热能力有显著增强;刘宜仔等7通过实验研究与数值分析相结合的方式研究了三角翼和矩形翼涡发生器对空气侧流场的影响,结果表明,三角翼涡发生器与针柱型散热器的组合强化传热能力最强。Song 等8研究了不同横向位置和攻角的凹曲线涡发生器对换热器热工水力特性的影响以及 5 种不同横向位置的涡流发生器,结果表明,凹曲线涡发生器与波纹翅片组合使
9、用,可以显著改善波纹翅片管式换热器的换热性能。以上研究证明,涡发生器的设置主要改变了散热管周围空气的流场状态,在一定程度上加强了空气的湍流程度。同时,合理的涡发生器形状可以引导空气方向,增加散热管壁与空气的对流换热强基金项目:贵州省科技计划项目(黔科合基础 20201Y238)收稿日期:2022-08-1718农业装备与车辆工程 2023 年度,提高散热器的散热能力。目前研究的管型以圆管、扁管较多,对特殊管型的涡发生器研究较少,通过实验或数值研究成为对散热器散热性能研究的主要方法,实验法周期长、成本高,数值研究方法周期短,成本低。考虑到数值模拟的可靠性,采用基于有限体积法的 Fluent 软件
10、进行 CFD 建模,将收腰管作为基础研究管型建立计算模型,同时在管外设置空气域构成两相对流换热模型进行数值模拟分析。对平翅片、弧形涡发生器 1#、2#、3#,这 4种翅片进行仿真,从空气侧温度、速度、压力和综合性能等方面进行比较分析,研究涡发生器对其传热特性和流动特性的影响,对现代收腰管型散热器的研发具有实际参考价值。1 理论分析1.1 模型建立以某汽车散热器厂家实际收腰管型散热器为基础管型,通过 SolidWorks 软件构造各模型。收腰管散热能力较强的原因之一是空气在经过其收腰部分时速度降低,且较长的腰部结构增加了空气与管壁的散热面积。合理设置涡发生器可增大收腰管腰部位置的湍流强度,进而增
11、强收腰管对流换热能力。在平翅片上收腰管腰部同心弧位置设置了弧形涡发生器,通过控制弧形角度设置弧形涡发生器的方式构建了弧形涡发生器 1#、2#、3#。其模型尺寸如表 1 所示,涡发生器的结构示意图如图 2 所示。表 1 涡发生器几何尺寸Tab.1 Model geometry size of vortex generator structure 翅片型号厚度/mm半径/mm弧形角度/()弧形涡发生器 1#0.0721.2 8.75弧形涡发生器 2#0.0721.2 17.5弧形涡发生器 3#0.0721.226.251.2 基本假设将模型简化为散热单元,冷却介质为水,定性分析管外的流动换热情况。
12、假设水和空气为不可压缩流体,物性参数为恒定,流动为定常流动,忽略重力的影响。如图 3 以平翅片散热单元模型为代表展示了管内和管外数值计算区域。边界条件设定:(1)入口边界条件:管内水域和管外空气域入口均为速度入口边界条件,水的入口温度设置为 353 K,速度固定为 2 m/s,空气的入口温度设置为 293 K;(2)出口边界条件均为压力出口边界条件,为一个标准大气压;(3)固体壁面边界条件:管内壁和翅片与空气接触面为耦合传热面。1.3 控制方程和边界条件设置模型的计算区域分别为管内水和管外空气的流体区域以及散热管的固体区域,采用 3 个基本控制方程:连续性方程、动量方程和能量方程。连续性方程:
13、V0$d=g (1)动量方程:V VPVV V2$ddddtnt=-+-llggg (2)能量方程:CV TkVCV Tpp2$dddtt=-l lggg (3)式中:V、P、T速度、压强、温度的时间平 均 值;V、T 速 度、温 度 的 湍 流 波 动;Cp流体比热容;k流体热导率;流体密度;流体粘度。上述控制方程采用 Fluent 2020 的控制体积法 1#2#3#图 2 弧形涡发生器结构示意图Fig.2 Structure of arc-shapedvortex generator速度入口对称面收腰管冷却介质出口延长区压力出口周期面平翅片图 3 散热单元模型Fig.3 Heat tra
14、nsfer unit model1.散热管 2.右水室 3.密封圈 4.主片5.翅片 6.侧护板 7.散热器芯体 8.左水室图 1 管片装配式散热器Fig.1 Fin-and-tube assembled radiator8 1 2 3 4 5 6 719第 61 卷第 9 期求解。所有计算均采用双精度选项,采用 2 阶迎风离散控制方程的对流项、扩散项等物理量;采用交错网格方式计算控制体表面的速度分量,控制流场的剩余变量存储在控制体中心节点。Fluent 使用点隐式(Gauss-Seidel)线性方程解算器结合代数多重网格法的格式来求解离散化产生的线性系统。在所有仿真中,当所有控制方程的迭代过
15、程产生残差时,都考虑了收敛解。1.4 网格无关性验证网格的数量对数值模拟的结果有很大的影响,为了验证网格的无关性,在空气速度为 2 m/s 的工况下选取了 5 种网格数量计算其翅片表面的对流换热系数和空气最大速度,具体数据如表 2 所示。当网格数大于 4 525 316 时,对流换热系数和空气最大速度趋平,误差在允许范围内。此时网格数量满足计算的精度要求,综合考虑计算资源,采用网格数为 4 525 316 的各种模型进行数值模拟。表 2 网格的无关性验证Tab.2 Grid independence verification网格数空气最大速度/(m/s)空气出口温度/K 832 0704.47
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