车辆典型热交换器流动传热微观机制研究及性能优化

【摘要】：现代车辆技术的发展要求冷却系统为整车经济性能、排放性能、可靠性和舒适性等指标的全面提升“保驾护航”,即现代车辆冷却系统要求既能各种运行工况下的散热需求,保证关键零部件可靠工作,又要尽量减少能量损失,提高系统热力效率。毫无疑问,冷却系统中各个热交换器的性能优化设计是先进冷却系统设计的基础,而流动传热传质的相关理论及影响机制又是换热器以及系统性能优化设计的重中之重。近年来,尽管各种强化传热技术不断取得进展并付诸应用,但是它们普遍存在一个问题,即以更多的流动阻力增加换取了传热强化的效果。可以认为,研发理想冷却系统的最大瓶颈在于流动传热理论的不完善以及不甚清晰的流动传热微观影响机制。 本文主要是遵循流动传热细微化和计算精确化这个引导趋势,研究流动传热性能的影响因素并进行机制分析；并实现换热单元温度场分布可视化,以验证本文采用的数值仿真方法。本文的主要研究内容主要有以下几个方面： 温度场可视化实验搭建流动传热性能研究的数值仿真平台,并设计温度场可视化实验台,实现换热翅片表面传热情况的可视化,以此验证并完善适用于换热单元热力性能计算的数值仿真平台； 典型换热单元的流动传热分析对车用三种典型换热器的换热单元进行流动传热性能的计算,探索影响性能的微观因素并分析机制,确定相对最优的翅片结构尺寸以及匹配形式； 换热器整体流动传热分析数值仿真两种车用换热器整体热力性能,探索性能影响机制并进行结构以及性能优化设计,寻求提高换热器性能的方法,并进行了实验验证； 流动传热性能分析方法在数值仿真流动传热性能的同时,寻求适合于热力性能数据分析的方法。 通过上述研究工作,本文获得了以下主要结论： (1)将红外摄像技术与流动传热性能测试实验相结合,可以实现换热单元温度场的可视化研究,为仿真研究流动传热性能提供了验证手段； (2)通过对换热单元进行热力性能仿真,得到了典型换热器中紊流片与散热带的最优化匹配形式,分析了翅片结构等参数对性能的影响机制并进行了参数优化; (3)通过对换热器整体热力性能的仿真和实验研究,分析了热力性能的影响因素以及影响机制,可以从冷、热侧出入口位置、流道内翅片排列形式以及冷却工质等角度优化换热器的热力性能； (4)将人工神经网络技术、灵敏度分析技术、多目标优化技术等与仿真技术相结合,可以拓展研究思路,提高热力性能分析效率。 本文采用数值仿真研究方法结合部分实验工作,研究了换热单元以及换热器的热力性能,分析了性能影响因素以及影响机制,并从不同的角度研究了性能优化途径,为车用换热器的优化设计提供了方向指导。