弧形涡发生器对车用散热器的影响研究.pdf

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/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 performance.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 performance 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 velocity 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 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 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。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：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 transfer 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 0704.473 60346.945 11 379 9914.488 39346.808 72 879 8884.515 59346.493 54 525 3164.520 42346.322 27 811 7394.522 34346.277 02 结果和讨论2.1 弧形涡发生器对传热性能的影响图 4 所示为各翅片散热单元在不同空气进口速度下的翅片表面的努塞尔数对比。所有翅片的努塞尔数均随空气入口速度的增大而增大，弧形涡发生器 3#的努塞尔数在各风速下最高，其次是弧形涡发生器 2#和 1#，平翅片最低。当空气入口速度为 14 m/s 时，弧形涡发生器 3#相比于弧形涡发生器 1#和平翅片，努塞尔数分别提高了 2.8%和10.9%，与弧形涡发生器 2#的努塞尔数相差不大。这说明在空气速度为 214 m/s 时，涡发生器的设置可以显著增大翅片与空气的换热效率，但在弧形涡发生器 1#、2#、3#之间，换热能力有所不同。图 5 所示为相同空气入口速度（10 m/s）时，各模型散热单元的等位置温度云图。从图 5 可以明显看出，与平翅片相比，空气在涡发生器与收腰管之间的温度明显提高，在出口延长区部分，空气带走的温度也有明显上升。随着涡发生器弧度的增加，空气在出口延长区的温度逐渐升高。弧形涡发生器的设置在一定程度上增加了翅片于空气的接触面积，相比平翅片来说可以将更多的热量传递到空气中，增加了散热量。此外，通过相同空气入口速度下各散热单元的速度流线图（图 6）发现，弧形涡发生器的设置降低了空气在收腰管腰部的空气速度，增强了收腰管腰部的湍流强度，在收腰管的基础上进一步加强了外管壁与空气的对流换热。同时，弧形涡发生器随着弧度的增加，收腰管腰部的空气速度降低。马宗鹏 等：弧形涡发生器对车用散热器的影响研究图 4 不同翅片表面努塞尔数对比（2 m/s V 14 m/s）Fig.4 Comparison of Nusselt numbers on different fin surfaces（2 m/s V 14 m/s）图 6 不同翅片等值面速度流线图对比Fig.6 Comparison of isosurface velocity streamlines for different fins23171160Velocitym/s平翅片弧形涡发生器1#弧形涡发生器2#弧形涡发生器3#图 5 不同翅片等值面温度云图对比Fig.5 Comparison of temperature nephogram of different fins on isosurface 353 348343338333328323318313308303298293TemperatureK平翅片弧形涡发生器1#弧形涡发生器2#弧形涡发生器3#20农业装备与车辆工程 2023 年2.2 弧形涡发生器的阻力性能分析图 7 是 4 种翅片在 214 m/s 的 7 个工况（步长 2 m/s）下空气的进出口压降，压降越大表明翅片对空气的阻力越强。由图 7 可以看到，各翅片压降随空气速度的增加而增大。涡发生器的设置不可避免地增加了空气压降，在各风速下，带有弧形涡发生器设置的翅片压降均高于平翅片，且随着空气入口速度的提高压降差距增大。其中，弧形涡发生器 3#的压降最大，其次是弧形涡发生器 2#和1#。当空气入口速度为 14 m/s 时，弧形涡发生器3#相比于弧形涡发生器 2#、1#和平翅片，压降上升了 3.3%、7.8%和 12.0%。2.3 综合性能评价通过上文数据分析可得，弧形涡发生器对空气流动的改变确实增强了散热能力，但也增加了空气压降。在实际应用中，不仅要考虑传热性能，还要考虑到压降增大对整个系统的负面影响，所以对一种新型翅片需要综合评价（PEC）。综合评价因子表达式为NNuu0310hpp=bdnl (4)式中：Nu0、Nu平翅片和设置涡发生器翅片表面的平均努塞尔数；0、平翅片和设置涡发生器的空气侧平均阻力系数。平均阻力系数的计算公式为LvPd2e2ptD=(5)式中：P散热单元的进出口压降，Pa；de 散热单元的当量直径，mm；L散热单元的长度，mm。综合评价因子的评价标准是 是否大于 1，若1 表示综合传热能力强于平翅片，若 1 则综合传热能力弱于平翅片。图 8 为各设置弧形涡发生器的翅片在不同空气入口速度下的综合评价因子。各翅片的综合评价因子在空气入口速度 28 m/s 时随空气入口速度的增大而增大，其中弧形涡发生器 2#的综合评价因子最高，峰值达到 1.07。随着空气入口速度的继续增加，各翅片的综合评价因子降低，但均大于 1。比较结果为：弧形涡发生器 2#弧形涡发生器 3#弧形涡发生器 1#。这说明弧形涡发生器的设置确实在实际工程中提高了综合传热能力，且相比于弧形涡发生器 3#，弧形涡发生器 2#在保证相似的传热能力的情况下压降更小，故其综合性能最好。3 结论散热器的翅片结构能对散热器的散热性能产生重要影响，通过数值研究平翅片、弧形涡发生器1#、2#、3#这 4 种结构的翅片，得到以下结论：（1）相较于平翅片，弧形涡发生器 1#、2#、3#通过对空气流场的影响，均提高了其传热效率。同时，压降不可避免地增大；（2）通过设置涡发生器的方式确实提升了翅片的综合散热能力，但不与空气速度成线性关系，在风速 8 m/s 时达到各翅片综合评价因子的峰值；（3）通过数值研究验证了弧形涡发生器的设置对传热能力的增强，弧形涡发生器与收腰管之间的相对位置还应该通过数学方式设置更为详细的梯度，并使用综合评价因子研究最佳的相对位置；（4）虽然通过数值模拟对弧形涡发生器的传热性能进行了定性分析，但缺少实验数据对比，还应进行相应的风洞实验进一步论证。图 7 不同翅片空气进出口压降Fig.7 Pressure drop at air inlet and outlet of different fins 图 8 弧形涡发生器 1#、2#和 3#的综合评价因子对比 Fig.8 Comparison of comprehensive evaluation factors of arc vortex generator 1#,2#and 3#（下转第 61 页）61第 61 卷第 9 期模组仍然可以长时间运行，说明经过防护后的关节模组具备耐辐射能力。4 结论本文设计了一种可应用于核环境的耐辐射关节模组，通过对关节模组中易受辐射损伤的驱动器电子器件进行耐辐射性能筛选，剔除易受辐射损伤的器件，对驱动器电路及 PCB 进行设计改进，增大关节模组驱动器耐辐射性能。基于 MNCP 程序对关节模组驱动器屏蔽体材料进行模拟仿真，结合屏蔽性能和屏蔽体重量及价格等因素，选取铅作为屏蔽材料。对驱动器屏蔽体进行仿真实验测试，屏蔽效果达到 80%以上。在核辐射源下对辐射加固后的关节模组与普通模组进行辐照实验，结果表明改进后的关节模组抵抗 600 Gy 的辐射剂量后仍能正常运行。目前只进行了辐射环境下静态测试，后期会搭建辐射环境下关节模组动态性能测试平台，进一步探究关节模组耐辐射能力。参考文献1 刘波,王欣,吴王锁,等.机器人在核与辐射事故应急中的应用展望 J.工业安全与环保,2015,41(1):62-64.2 周平坤.核辐射对人体的生物学危害及医学防护基本原则 J.首都医科大学学报,2011,32(2):171-176.3 李作胜,张衍,刘育建,等.电子器件 辐射屏蔽材料设计及性能研究 J.机械工程学报,2017,53(21):31-36.4 SAFFIOTTI A.Platforms for rescue operationsM.NIROS,2004.5 徐文福,毛志刚.核电站机器人研究现状与发展趋势 J.机器人,2011,33(6):758-767.6 何永强.三分支机器人模块化关节的设计 D.北京:北京邮电大学,2011.7 NAKAMICHI M,ISHITSUKA E,SHIMAKAWA S,et al.Irradiation tests of a small-sized motor with radiation resistanceJ.Fusion Engineering and Design,2008,83(7):1321-1325.8 栾伟玲,韩延龙,张晓霓,等.用于核救灾机器人的电机驱动器安全防护 J.机械工程学报,2017,53(21):9-15.9 李鹏.轻量化机械臂模块化关节的集成设计与优化 D.北京:中国科学院大学(中国科学院宁波材料技术与工程研究所),2017.10 梁芳萍,曹广忠,赵磊,等.磁编码器技术现状及发展研究 J.自动化仪表,2021,42(8):1-6,12.11 段超.GaN 基材料和器件辐照可靠性研究 D.西安:西安电子科技大学,2010.12 樊明武,张春粦.核辐射物理基础 M.广州:暨南大学出版社,2009.13 张栋葛,刘尧华,林宇,等.可耐受 100 Mrad 射线辐照电机的制备及绝缘润滑材料耐辐射性研究 J.机械工程学报,2017,53(21):24-30.作者简介 苏康佳（1998-），男，硕士，研究方向：电气工程、机器人电路系统。E-mail：参考文献1 徐敏.汽车散热器换热性能计算方法研究及翅片结构优化 D.武汉:武汉科技大学,2017.2 潘岸,刘向农,郑志华,等.车用散热器百叶窗翅片结构仿真优化 J.低温与超导,2020,48(03):94-98.3 周伟.汽车散热器试验研究及性能分析 D.重庆:重庆大学,2013.4 孙学娟,龚勋,刘世雄.车用翅片散热器发展趋势分析 J.时代汽车,2019(09):118-119.5 李娟,凌祥,彭浩.新型三角孔翅片的对流传热及压降特性 J.南京工业大学学报(自然科学版),2012,34(04):27-32.6 刘亚东,刘佳鑫,王宝中,等.锯齿形涡发生器在车用散热器中的应用研究 J.车用发动机,2019(02):60-66.7 刘宜仔,林清宇,冯振飞,等.换热管内插组合扭带强化传热的实验研究 J.化工科技,2015,23(05):6-10.8 SONG K W,HU D L,ZHANG Q,et al.Thermal-hydraulic characteristic of a novel wavy fin-and-circle tube heat exchanger with concave curved vortex generatorsJ.International Journal of Heat and Mass Transfer,2022,194.作者简介 马宗鹏（1996-），男，硕士研究生，研究方向：汽车工程和流体传热。E-mail：MA黄瑛（1974-），女，博士，副教授，研究方向：汽车工程、机械制造及其自动化。E-mail：（上接第 20 页）苏康佳 等：特种机器人关节模组设计及辐射防护