基于FLUENT汽车散热器温度场匹配性分析

兰文奎，李仕生

（重庆工业职业技术学院，重庆 401120）

1 引言

发动机散热器温度场的性能直接影响发动机的工作可靠性和使用寿命。散热器和风扇是最重要的组成部件，二者性能的匹配直接影响到散热效果[1]。同时与发动机冷却水泵的匹配，也将影响到整个系统的散热效率。因此，系统的匹配性将直接影响到发动机工作的效率和可靠性。匹配性差的冷却系统，消耗较大的发动机功率，而不能实现良好的散热，直接影响整个车辆的工作效率。因此，对冷却系统匹配性进行分析，具有重要的研究意义及应用价值。

国内外学者对此进行了一定的研究：文献[2]针对水冷式发动机水泵效率对冷却系统散热效果的影响进行分析；文献[3]基于软件仿真对散热器和冷却风扇之间的匹配性进行分析，寻找最佳工作点；文献[4]基于软件仿真，分析风扇参数对整个冷却系统散热效果的影响；文献[5]采用风洞试验，对影响散热器散热的主要结构参数进行分析。

针对汽车发动机水冷式强制循环冷却散热系统进行匹配性分析。基于系统的结构单元，对冷却风量、散热量进行分析，对发动机冷却水泵进行选择和匹配，在此基础上，对冷却系统的匹配性进行分析，获得最佳工况点。基于CFD分析和试验分析对最佳工况点冷却系统的温度进行分析验证。

2 发动机热管理系统

汽车发动机的冷却系统根据冷却介质的不同通常可以分为风冷式冷却和水冷式冷却两种[6]。风冷式冷却通常是采用强制冷却空气高速流过发动机气缸体和气缸盖的外表面从而实现对发动机的冷却。不过冷却空气的流量流速不能保证稳定充足，而且受环境因素的影响较大，在一定程度上影响了发动机的可靠性，另外一方面冷却风扇功率消耗比较大，而且运行时噪音不易控制，目前应用较少[7]。水冷式发动机主要是利用冷却液来对发动机中高温零部件的热量进行吸收[8]，然后经过冷却系的循环，最终利用散热器将热量散发的空气中去。水冷式发动机的冷却示意图，如图1所示。主要包括散热器、风扇、冷却水泵、冷却液等。

图1 发动机冷却示意图Fig.1 Schematic Diagram of Engine Cooling

水冷式发动机的强制循环冷却系统主要是借助水泵等强制方法来实现冷却系统中冷却液的循环流动，最终保证发动机可以冷却适度[9]；主要方法是利用水泵把冷却液加压并引入发动机，利用冷却液来把发动机的热量带入循环系统，最终利用散热器和冷却风扇将热量散发到空气中去。相对于蒸发式冷却，强制循环的工作可靠性更高，可以保证发动机冷却强度足够。强制循环冷却应用最为普遍，这里选择该种方式进行匹配性研究。

3 热管理系统匹配性分析

3.1 冷却风量计算

3.1.1 风道总阻力

冷却空气先后穿过风道、高温散热、中冷散热器等主要部件[10]，则风道总阻力则为以上各部分之和，写作：

式中：ΔPr—高温散热器阻力；ΔPc—中冷散热器阻力；ΔPo—风道阻力。

3.1.2 风扇效率

风扇的标定效率一般是在冷却风道内测试获得，这与实际情况差别较大。实际安装尺寸的限制，造成实际风量与标定风量之间存在差异，通过效率η进行标定。

3.1.3 行驶气流影响

车辆以一定的速度运行时，会对冷却风散的风量产生重要的影响，由于车辆运动产生的风量可表示为：q附=πD2αV （2）

3.1 .4冷却风量

综合考虑风扇的效率和运行速度的影响，则实际冷却风量可以表示为：

冷却风流过散热器，进行热量交换，带走散热器热量，不考虑其他散热，则散热量Q为：

由式（4）可得，冷却空气流量为：

式中：Δta—散热器进出风温差；ρa—空气密度；cpa—空气的定压比

热容。

3.2 热管理系统散热量

根据经验可知，发动机燃烧产生的热量由（23～30）%通过冷却系统散发，该部分热量可通过以下公式获得：

式中：n—发动机曲轴转速，r/min；M—四冲程发动机的幂指数，取（0.6～0.65）；Hu—燃料的低热值；ΔHu—燃料燃烧不完全损失的热量；α—空气过量系数。

3.3 水泵选择与匹配

强制循环系统，水泵是重要的动力来源，必须选择合适的水泵，才能保证系统运行的可靠。

3.3.1 供水量

冷却水通过水泵提供的动力进行运转，冷却水运行到缸盖带走发动机热量，在散热器内与冷却空气进行热交换，散发热量，不考虑其他损失，则供水量可以表示为：

3.3.2 水泵匹配

考虑泄露、损耗等其他因素影响，则实际值可以表示为：

水泵的压力-流量关系，可以表示为P=f（Vw），如图2中曲线1所示，冷却系统冷却水的阻力特性曲线中曲线2，如图2所示。

图2 水泵特性曲线Fig.2 Pump Characteristic Curve

由图可知，两条曲线交汇于点B，此点即为系统稳定工作时，泵的稳定工作点，式（8）求得值即为该点对应的水流量。系统达到最佳工作匹配。

3.4 冷却系统匹配

冷却系统正常工作，需要保证冷却风扇提供的冷却风量满足散热器的要求，同时具有一定的压力，可以顺利通过散热器，实现散热。为了满足要求，则系统的总的空气阻力Δρ系统，与由于汽车运动产生的风压P行驶和风扇自身的风压ΔP散之和相等，则：

由于车辆运动的速度不可控，所以在实际设计时，不考虑汽车运动产生的风压，即冷却风扇自身产生的压力与系统的总阻力达到平衡，如图3所示。

系统A、B分别对应的风扇曲线为曲线1、2，如图3所示。

图3 冷却风扇与冷却系统匹配图Fig.3 Matching Diagram of Cooling Fan and Cooling System

由图可知，系统A、B与对应的冷却风扇交汇于点A、点B，系统在此点工作时，系统冷却风量可以满足散热要求，同时空气压强足以克服散热器阻力，实现设计的散热要求，过低过高均不能满足要求。

4 匹配性仿真与试验验证

4.1 仿真分析

4.1.1 最佳工况点分析

为了充分模拟实际情况下的分上运行状况，采用类似于风洞试验的模型设计，对进出风口的风道进行延长，根据经验进风道长度不小于风道直径的6倍，出风道不小于出口直径的8倍，风扇和管道的间隙为20mm，计算模型的具体尺寸和线架图，如表1、图4所示。用三维建模软件SolidWorks完成建模后，可将文件另存为parasolid文件导出。为了方便建模和计算，建模时将风扇的轮毂部分进行了简化成圆柱。

表1 冷却风扇模型尺寸Tab.1 Cooling Fan Model Size

图4 带有进出风道风扇模型Fig.4 With Inlet and Outlet Duct Fan Model

为了尽可能的模拟散热器的实际运行状况，严格按照散热器实际的外部尺寸进行建模。散热器具体尺寸，如表2所示。为进行散热器传热计算，需建立空气流动区域来包裹散热器芯部。空气入流区域和出流区域的纵截面形状与散热器芯部形状相同，在空气流动方向的长度分别为430mm和750mm。散热器的三维模型采用SolidWorks软件建立，线架图，如图5所示。分别设置不同风扇流量，获得风扇入口静压值和空气散热器内部静压损失，如表3所示。根据表中数据做出的回归曲线，如图6所示。

表2 散热器模型尺寸（mm）Tab.2 Radiator Model Size（mm）

图5 散热器三维模型线架图Fig.5 Radiator Three-Dimensional Model Wireframe Diagram

表3 不同流量下风扇入口静压和散热器内部静压损失Tab.3 Static Pressure Loss at Different Flow Rate

图6 各流量下拟合曲线Fig.6 Fit Curve Under Each Flow Rate

从图6可以看出，两条曲线的焦点表示风扇和散热器匹配的最佳工况点，此时的流量为16.70m3/s、压力为761.48Pa。由回归曲线图可以看出，当工况点位于交点左侧时，风扇的提供的压力大于散热器造成的压力损失，因此风扇的压力得不到充分的利用，甚至会出现大马拉小车的现象。反之，当工况点位于交点右侧时，风扇所提供压力小于散热器所造成的压力损失，因此，当空气流经散热器时，会出现流动不畅的状况，导致散热器的散热能力不能充分发挥，降低冷却系统的散热效率，甚至影响发动机正常工作。

4.1.2 最佳工况点检验

为了验证在最佳工况点的工作状态下，能否满足发动机的散热要求，现在进行散热器在最佳工况点下散热的模拟。模拟中需要还原上下水室、冷却水管和进出水管。设置监视器和适当的迭代步数后开始模拟计算。迭代过程大约在800步左右收敛。残差曲线，如图7所示。

图7 散热器散热模拟的残差曲线Fig.7 Residual Curve of Heat Sink Cooling Simulation

散热器迎风面和背风面的温度云图，如图 8（a）、图 8（b）所示。散热器在Y=1400界面处的温度云图，如图8（c）所示。

图8 散热器温度云图Fig.8 Heat Sink Temperature Cloud

由图可知，散热器在第一排和第二排管的散热效果最好，之后的冷却水管散热效果基本一致，明显弱于前两排管。空气流经散热器后，平均温度由入口的27℃上升到大约80℃，其中和进水管相邻冷却水管附近空气温度最高，达到将近90℃。冷却水由入口处的95℃下降到出水管处的大约平均78℃。发动机内冷却水的最低温度为79.4℃。因此，最佳工况点下的冷却能力可以满足发动机要求。

4.2 试验分析

搭建发动机冷却系统运行试验平台，如图9所示。系统由发动机、电动机、测功机、发电机、电阻等组成。

图9 发动机冷却试验平台Fig.9 Engine Cooling Test Platform

运行搭建完成的冷却系统，在20℃的环境温度下，车辆以三档控制下的25km/h的速度下在无坡度的路面上行驶，发动机的转速保持在最高转速2100r/min。散热器的进出口水管温度变化，如图10所示。

图10 发动机冷介质温度变化图Fig.10 Engine Cold Medium Temperature Change Diagram

从图中看到，在运行开始到80s时间内，散热器的进出口水温一直保持在20℃没有变化，而到80s后散热器的进口温度快速升到90℃左右，散热器进口温度也很快上升到70℃以上。造成这一结果的原因是节温器起到很好的控制作用。在发动机水温较低的时候节温器关闭，冷却液执行小循环，不流过散热器就直接流回发动机；当冷却液升高到80℃时，节温器开启，冷却液流道变为大循环，通过散热器进行散热。系统运行到85s后，散热器进出水温在快速升高出现波动，进口的瞬间最高水温可以达到95℃。在经过40s左右的波动后发动机的进出口水温趋于稳定，发动机达到热平衡状态。此时散热器的进口水温恒定在84.2℃左右，散热器的出口温度恒定在78.4℃左右，冷却液的温差在5.8℃上下。由仿真值可知，散热器出口处温度78℃左右，二者基本吻合，表明匹配性设计符合要求，误差小于1%。

5 结论

针对车辆发动机冷却系统匹配性进行分析，结果可知：（1）通过风扇入口静压、散热器内部静压损失曲线匹配，获得冷却系统的最佳工况点，此时对应的风量和压强分别为：16.70m3/s和761.48Pa。（2）对最佳工况下冷却系统温度进行模拟，空气流经散热器后，平均温度由入口的27℃上升到大约80℃，和进水管相邻冷却水管附近空气温度最高，达到将近90℃；冷却水由入口处的95℃下降到出水管处的大约平均78℃；发动机内冷却水的最低温度为79.4℃。最佳工况点下的冷却能力可以满足发动机要求。（3）试验测试结果表明，达到稳定工况时，散热器进口水温恒定在84.2℃左右，出口温度恒定在78.4℃左右，试验与仿真结果基本吻合，误差小于1%，表明匹配性符合要求，为同类设计提供参考。