液力缓速器热交换器水侧压降影响因素分析

王菲 毛远志 庞超群

摘要 文章以一款液力缓速器热交换器为研究对象，对热交换器水侧压降的影响因素进行分析，采用CFD数值仿真技术探讨了不同水管形式下热交换器水侧压降的占比分布，获得了热交换器内部水侧流道的压力和速度分布云图，通过试验对比分析了热交换器水管形式与水管内径对水侧压降的影响。结果表明，相对直管形式，弯管形式下热交换器内部水侧流场平均压力较高，且在进水口和出水口区域压力梯度明显。热交换器的水侧压降主要集中在热交换器芯子区域，直管形式和弯管形式下热交换器芯子压降的占比分别约为70%和60%，将热交换器水管由直管形式更换为弯管形式之后，热交换器总压降增大16%左右。将弯管水管内径由50 mm增加至55 mm，热交换器水侧压降显著降低。

关键词 热交换器;压降;水管;CFD

中图分类号 U462 文献标识码 A 文章编号 2096-8949（2022）12-0053-03

收稿日期：2022-04-27

作者简介：王菲（1987—），女，硕士，工程师，研究方向：液力缓速器制动理论。

0 引言

热交换器是工程技术中广泛采用的冷热流体交换热量的设备，按操作过程对其分类，可分为间壁式、混合式及蓄热式三大类，以间壁式热交换器应用最为广泛。间壁式热交换器中冷、热流体由壁面间隔开来而分别位于壁面两侧，溶液无混合，主要形式有套管式熱交换器、管壳式热交换器、交叉流热交换器、板式热交换器以及螺旋板式热交换器[1]。由于整车要求液力缓速器结构紧凑，换热性能高，水阻小，使用寿命长，液力缓速器热交换器选用板式热交换器进行设计开发。

热交换器作为将液力缓速器内部油液热能传递给整车冷却液的换热装置，其换热能力对液力缓速器的持续制动性能有显著影响。作为整车水路循环的一部分，热交换器水侧压降过大会导致整车冷却液流量下降，易发生缓速器高温退出、制动时间短等问题[2]。

该文以一款液力缓速器热交换器为研究对象对热交换器水侧压降的影响因素进行分析，采用CFD数值仿真技术探讨了不同水管形式下热交换器水侧压降的占比分布，获得了热交换器内部水侧流道的压力和速度分布云图。通过试验对比分析了热交换器水管形式与水管内径对水侧压降的影响，为液力缓速器热交换器的设计及匹配提供理论指导。

1 液力缓速器热交换器结构

液力缓速器热交换器由热交换器芯子、进水管和出水管等组成。热交换器芯子由水层芯片、油层芯片、换热翅片和密封垫片等焊接组成，内部油道与水道相间逆流布置（见图1），且相互密封隔离。

2 热交换器数值仿真

2.1 模型假设

为简化计算模型，进行以下假设：

（1）忽略热交换器芯子和进出水管壁面粗糙度对水侧压降的影响。

（2）忽略热交换器的内部换热和外壁面散热，水流温度为恒温。

（3）热交换器芯子水侧各层流道结构相同。

（4）忽略出水管上水温传感器安装孔的影响。

流动介质不可压缩，遵守质量守恒定律和动量守恒定律[3]。由于工程问题结构复杂，一般需借助计算机获得流场的数值解[4]。目前，常用商业CFD流体仿真软件进行计算求解。

2.2 网格划分及边界条件

根据热交换器结构进行网格划分，分为热交换器芯子模块、进水管模块和出水管模块。进水管和出水管常采用直管和弯管两种形式，对应的网格模型见图2。经统计，直管形式热交换器网格数量为261万，弯管形式热交换器网格数量为262万。

根据分析工况，确定入口边界条件为速度入口边界[5]，出口边界选择压力出口边界条件，且出口为常压，工作介质为水。

2.3 数值仿真

由于热交换器内部为典型的湍流流场，该文采用RANS（雷诺时均法）中的标准k-ε湍流模型对热交换器内流场进行仿真分析，并采用SIMPLE算法进行数值离散求解[3]。

在进水温度75℃下，分别考察进水流量为9 m3/h、12 m3/h、15 m3/h时热交换器水侧的压力和速度流场分布情况。下文以进水流量15 m3/h为例，通过提取图3所示截面热交换器内部压力和速度分布云图，进行详细分析。

图4为进水流量15 m3/h时，选取截面上的压力分布云图。由图4（a）和图4（b）可以看出，入水口处（右侧）压力最高，在出水口（左侧）附近存在最低压力，两种水管形式下热交换器内部均存在一定程度的压力损失。

直管形式下入水口和出水口压力分布相对较为均匀，流场最高压力为7.54 kPa，最低压力为2.75 kPa。弯管形式下入水口和出水口处压力梯度明显，流场最高压力为8.64 kPa，最低压力为3.38 kPa。同时，弯管形式下热交换器内部流场平均压力较直管形式下内部流场平均压力大，在设计时应予以考虑。

图5为进水流量15 m3/h时，选取截面上的速度分布云图。由图5（a）和图5（b）可以看出，直管形式和弯管形式下内部流道的速度流场较为一致。直管形式下进水口（右侧）和出水口（左侧）速度分布较为均匀。由图5（b）可以看出，弯管形式下进水口位置最小流速约为0.4 m/s，说明该位置有气泡存在，主要是流体在弯管处产生涡旋现象所致。

表1为不同水流量下热交换器水侧压降的数值统计结果。可以看出，热交换器的水侧压降主要集中在热交换器芯子区域，直管形式下热交换器芯子压降的占比约为70%，弯管形式下热交换器芯子压降的占比约为60%。将热交换器水管由直管形式改为弯管形式之后，热交换器总压降增大16%左右。

3 试验对比

3.1 水管形式对水侧压降的影响

图6为不同水管形式的热交换器实物图。直管形式的水管接头采用不锈钢管材焊接连接，弯管形式的水管接头设计为铸钢材质，通过卡箍进行连接安装，可实现360°旋转。

表2为不同进水流量下，介质为水时，水管形式对热交换器水侧压降影响的试验结果。当热交换器水管采用弯管形式时，相比直管，热交换器总压降增幅约为17%～23%，与数值仿真结果相近。

3.2 水管内径对水侧压降的影响

除水管形式之外，水管内径也对热交换器水侧压降有较大影响。图7试验对比了介质为50%乙二醇+50%纯水时，不同进水流量下弯管水管内径对热交换器水阻的影响。由图可以看出，将水管内径由50 mm增加至55 mm，热交换器水侧压降显著降低。

4 总结

该文以一款液力缓速器热交换器为研究对象，对热交换器水侧压降的影响因素进行分析，采用CFD数值仿真技术探讨了不同水管形式下热交换器水侧压降的占比分布，获得了热交换器内部水侧流道的压力和速度分布云图。通过试验对比分析了热交换器水管形式与水管内径对水侧压降的影响，获得以下结论：

（1）相对直管形式，弯管形式下热交换器内部水侧流场平均压力较高，且在进水口和出水口区域压力梯度明显。同时，由于弯管结构易产生涡旋现象，在进水口位置易产生气泡。

（2）相同进水流量下，直管形式与弯管形式热交换器内部水侧流道的速度流场较为一致。

（3）热交换器的水侧压降主要集中在热交换器芯子区域，直管形式下热交换器芯子压降占比约为70%，弯管形式下热交换器芯子压降占比约为60%。

（4）将热交换器水管由直管形式更换为弯管形式后，热交换器总压降增大16%左右。

（5）将弯管水管内径由50 mm增加至55 mm，热交换器水侧压降显著降低。

参考文献

[1]杨世铭， 陶文铨. 传热学（第四版）[M]. 北京：高等教育出版社， 2006.

[2]孙博， 李环. 整车散热系统对液力缓速器持续制动性能的影响[J]. 公路与汽运， 2014（3）： 24-25.

[3]陶文铨. 数值传热学（第2版）[M]. 西安：西安交通大学出版社， 2001.

[4]王福军. 计算流体动力学分析—CFD软件原理与应用[M]. 北京：清华大学出版社， 2004.

[5]张庆岭， 李莉. 板式叉-逆-叉流新風换气机换热性能仿真[J]. 建筑热能通风空调， 2013（6）： 82-85.