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基于场协同原理的车用冷却系统流动传热耦合分析与结构优化

黄钰期  
【摘要】:汽车冷却系统是保障车辆稳定运行的重要辅助系统,对节能减排具有直接影响。在当前环境下,随高密度、大功率发动机的出现以及众多新技术、新系统在汽车上的应用,车辆散热环境日趋恶劣,对冷却系统的体积、重量、工作效率等也提出了新的需求。而各热交换器组件的性能优化是实现冷却系统整体优化设计的基础。如何在不借助辅助设备,不改变使用条件并合理控制阻力能耗的前提下,实现流动传热过程的优化,是现代汽车冷却系统设计和研究的核心问题。 本文以强化传热的场协同原理为理论依托,以计算流体力学(CFD)方法为主要研究手段,与风洞实验技术相结合,对车用冷却系统从单元到组合模块,从局部到整场,从微观到宏观的流动传热特性分别进行研究。主要研究内容包括: 1.对车用冷却系统的局部换热单元、单个热交换器、热交换器组件以及热交换器与风扇组合分别建立CFD三维仿真模型,研究换热过程的流动传热特性。 2.采用多尺度耦合法对单个热交换器进行微观分析和整体仿真。 3.利用风洞实验平台,采集实验数据以验证仿真模型的有效性。 4.根据实际工作时可能遇到的状况对原始模型和边界条件进行调整,分析冷热介质流动不均匀性对单元换热过程的影响。 5.研究单个热交换器内外侧的流动特性,分析结构、冷却介质分布规律等因素对整体换热效果的影响,提出可行的结构优化方案。 6.分析两相邻热交换器之间的相对位置、距离以及热介质流动方式对组合模块换热过程的影响。 7.研究吸气式风扇驱动时空气的流动特性。将热交换器和风扇进行组合,比较不同风扇配置方案对热交换器换热效果的影响。 8.结合热交换器中的场协同原理,对以上研究结果进行印证和解释,设计相应的强化传热方法或结构优化方案。通过以上一些研究,发现: 对以空气(气体)为冷热介质的换热过程,如果在计算时考虑介质的物性变化,与常物性并参照入口温度设置物性参数的仿真模型相比,会使冷热侧温差略为降低,冷空气压降略有增加,而热空气的压降明显减少。 对局部单元的换热,如果热介质流速分布不均匀,尤其是热介质流速沿冷却介质流动方向降低时,会使单元换热能力降低。如果冷却介质的温度分布沿热介质流向降低,冷热介质温度场协同性相对更好,能适当提高换热效果,反之则使换热效果变差;如果冷却介质的流速沿热介质流动方向升高,流速升高导致温度降低,也能改善冷热介质温度场的协同性,使换热效果略好,反之则换热较差。 对单个热交换器,如果采用多尺度耦合分析方法对热交换器进行详解,能显著提高计算精度,但操作过程较为复杂。在车用热交换器中,热介质在各通道的不均匀分布是降低整体工作效率的一个主要因素。因此,改良热交换器结构,使热介质在各通道分布更均匀,是有效的优化方向。此外,增大热交换器低温区的冷却介质流量,能降低低温区冷却介质的温度,改善冷热流体温度场的协同性,实现强化换热的目的。 对相邻热交换器组合模块,在不考虑热辐射因素时,变换芯部上下的相对位置会对换热有轻微的影响,而当芯部距离达到一定范围且四周密封时,再增大芯部间距也并不会影响前后热交换器的换热效果。改变上游热交换器热介质流动方向,使热通道中的流量和温度分配更均匀,能显著提高该热交换器的换热效率,但由于冷却风在流经该热交换器后的温升更高,将导致下游热交换器的换热效果变差。 在吸气式风扇的驱动下,风扇上游速度分布并不均匀,叶片尤其是叶尖正前方的来流速度较高,轴心和边角处速度较低。将热交换器及风扇区域密封,对提高风扇的工作效率十分关键。对典型的乘用车水散热器,采用一个较大风扇和两个小风扇的组合,和传统风扇配置方案相比,在静压(总和)相等的情况下,能实现更好的换热效果。


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