基于場協(xié)同原理的車用冷卻系統(tǒng)流動傳熱耦合分析與結(jié)構(gòu)優(yōu)化.pdf

1、汽車冷卻系統(tǒng)是保障車輛穩(wěn)定運行的重要輔助系統(tǒng)，對節(jié)能減排具有直接影響。在當前環(huán)境下，隨高密度、大功率發(fā)動機的出現(xiàn)以及眾多新技術(shù)、新系統(tǒng)在汽車上的應用，車輛散熱環(huán)境日趨惡劣，對冷卻系統(tǒng)的體積、重量、工作效率等也提出了新的需求。而各熱交換器組件的性能優(yōu)化是實現(xiàn)冷卻系統(tǒng)整體優(yōu)化設(shè)計的基礎(chǔ)。如何在不借助輔助設(shè)備，不改變使用條件并合理控制阻力能耗的前提下，實現(xiàn)流動傳熱過程的優(yōu)化，是現(xiàn)代汽車冷卻系統(tǒng)設(shè)計和研究的核心問題。
　　 本文以強化傳

2、熱的場協(xié)同原理為理論依托，以計算流體力學(CFD)方法為主要研究手段，與風洞實驗技術(shù)相結(jié)合，對車用冷卻系統(tǒng)從單元到組合模塊，從局部到整場，從微觀到宏觀的流動傳熱特性分別進行研究。主要研究內(nèi)容包括：⑴對車用冷卻系統(tǒng)的局部換熱單元、單個熱交換器、熱交換器組件以及熱交換器與風扇組合分別建立CFD三維仿真模型，研究換熱過程的流動傳熱特性。⑵采用多尺度耦合法對單個熱交換器進行微觀分析和整體仿真。⑶利用風洞實驗平臺，采集實驗數(shù)據(jù)以驗證仿真模型的有效

3、性。⑷根據(jù)實際工作時可能遇到的狀況對原始模型和邊界條件進行調(diào)整，分析冷熱介質(zhì)流動不均勻性對單元換熱過程的影響。⑸研究單個熱交換器內(nèi)外側(cè)的流動特性，分析結(jié)構(gòu)、冷卻介質(zhì)分布規(guī)律等因素對整體換熱效果的影響，提出可行的結(jié)構(gòu)優(yōu)化方案。⑹分析兩相鄰熱交換器之間的相對位置、距離以及熱介質(zhì)流動方式對組合模塊換熱過程的影響。⑺研究吸氣式風扇驅(qū)動時空氣的流動特性。將熱交換器和風扇進行組合，比較不同風扇配置方案對熱交換器換熱效果的影響。⑻結(jié)合熱交換器中的場協(xié)

4、同原理，對以上研究結(jié)果進行印證和解釋，設(shè)計相應的強化傳熱方法或結(jié)構(gòu)優(yōu)化方案。
　　 本研究發(fā)現(xiàn)：對以空氣(氣體)為冷熱介質(zhì)的換熱過程，如果在計算時考慮介質(zhì)的物性變化，與常物性并參照入口溫度設(shè)置物性參數(shù)的仿真模型相比，會使冷熱側(cè)溫差略為降低，冷空氣壓降略有增加，而熱空氣的壓降明顯減少；對局部單元的換熱，如果熱介質(zhì)流速分布不均勻，尤其是熱介質(zhì)流速沿冷卻介質(zhì)流動方向降低時，會使單元換熱能力降低。如果冷卻介質(zhì)的溫度分布沿熱介質(zhì)流向降低，

5、冷熱介質(zhì)溫度場協(xié)同性相對更好，能適當提高換熱效果，反之則使換熱效果變差；如果冷卻介質(zhì)的流速沿熱介質(zhì)流動方向升高，流速升高導致溫度降低，也能改善冷熱介質(zhì)溫度場的協(xié)同性，使換熱效果略好，反之則換熱較差；對單個熱交換器，如果采用多尺度耦合分析方法對熱交換器進行詳解，能顯著提高計算精度，但操作過程較為復雜。在車用熱交換器中，熱介質(zhì)在各通道的不均勻分布是降低整體工作效率的一個主要因素。因此，改良熱交換器結(jié)構(gòu)，使熱介質(zhì)在各通道分布更均勻，是有效的優(yōu)

6、化方向。此外，增大熱交換器低溫區(qū)的冷卻介質(zhì)流量，能降低低溫區(qū)冷卻介質(zhì)的溫度，改善冷熱流體溫度場的協(xié)同性，實現(xiàn)強化換熱的目的；對相鄰熱交換器組合模塊，在不考慮熱輻射因素時，變換芯部上下的相對位置會對換熱有輕微的影響，而當芯部距離達到一定范圍且四周密封時，再增大芯部間距也并不會影響前后熱交換器的換熱效果。改變上游熱交換器熱介質(zhì)流動方向，使熱通道中的流量和溫度分配更均勻，能顯著提高該熱交換器的換熱效率，但由于冷卻風在流經(jīng)該熱交換器后的溫升更高