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翅片管式油冷器结构优化与热力性能分析

宋春光  
【摘要】:油冷器作为车辆液压助力转向系统的重要组成部件,起着控制液压油温度的作用,可保证转向系统的安全、可靠运行。提升翅片管式油冷器热力性能可提高散热设备的紧凑性,减少金属耗材,有利于改善车辆运行的经济性。在液压油(管内)与空气(翅片管外)的热交换过程中,翅片管外的传热热阻占主导。因此,提升油冷器的热力性能应着重减少翅片管外的传热热阻。本文从翅片管式油冷器的管外几何结构入手,采用优化管外的换热面结构,达到降低其传热热阻,提升油冷器热力性能的目的。为此,本文基于油冷器的原有结构与生产工艺,以椭圆管外敷复合翅片(百叶窗叠加矩形小翼涡流发生器)的复合翅片管替代原翅片管,运用数值模拟手段,对原翅片管、复合翅片管外的气流流动、传热相关的特征进行数值分析与讨论。具体研究复合翅片管的相关因素(包括主要结构参数,如百叶窗翅片倾角θ、宽度L_h、数目N,翅间距F_p以及小翼攻角α等)对管外流动传热的影响规律,得出各结构参数的推荐取值。在此基础上,采用正交试验设计方法对复合翅片管各结构参数的影响主次顺序及参数组合取值进行进一步的探究与分析,并多元回归拟合出复合翅片管外的结构参数与传热因子j、摩擦因子f的关联式。本文主要研究内容与结论如下:(1)对比原翅片管、复合翅片管外流动传热的差异。复合翅片能不断偏转气流流向,强化气流与壁面的对流传热。椭圆管与复合翅片的组合可大幅减小尾涡区,改善换热管背风侧的换热效果。在雷诺数Re=550~2100范围内,复合翅片管外的j因子、f因子均高于原翅片管,j因子提高1.64~1.79倍,f因子的增幅为1.69~1.71倍。结合综合评价因子JF的计算值,复合翅片管外的热力性能显著提升,较原翅片管提高37.8~49.6%。(2)获取复合翅片管的主要结构参数对管外流动与传热的作用规律。在一定条件下,增加百叶窗翅片的数目N,增大百叶窗翅片倾角θ、宽度L_h,翅片管外的对流传热增强,流动阻力也随之增大。减小翅间距F_p,有利于增强翅片管外的对流传热,但流动阻力会增加。加大小翼攻角α,在强化换热管背风侧的对流传热的同时流动阻力增大。(3)采用正交试验设计方法讨论不同结构参数组合对复合翅片管外热力性能的影响,分析各结构参数及组合对管外流动传热影响的主次顺序。复合翅片管外的主要结构参数对j因子的影响大小顺序为:F_pL_hθNN×F_pα;对f因子的影响大小顺序为:F_pNL_hθαN×F_p;对JF因子的影响程度排序为:F_pL_hθN×F_pNα。经正交试验设计方法得出的优化结构参数组合取值为:θ=25°、L_h=12.8mm、N=12、F_p=1.4mm、α=30°,较原翅片管提升52.9~86.3%。(4)基于全文数据,回归得出复合翅片管的主要结构参数与传热因子j、摩擦因子f之间的关联式。关联式的计算值与模拟值的相对误差均保持在15%以内。


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