譚禮斌, 袁越錦, 徐英英, 趙 哲

(陜西科技大學(xué) 機電工程學(xué)院, 陜西 西安 710021)

0 引言

散熱器作為整車?yán)鋮s系統(tǒng)中最重要的零部件之一，一般采用較復(fù)雜的幾何結(jié)構(gòu)來實現(xiàn)較好的散熱性能，且整車用散熱器工作性能的好壞直接影響到整車發(fā)動機的正常運行[1,2].隨著計算機技術(shù)的迅速發(fā)展，基于虛擬仿真實驗平臺的產(chǎn)品設(shè)計與性能分析已逐漸成為工程機械行業(yè)的發(fā)展趨勢[3-5].

對于散熱器模擬分析與試驗評價的研究，科研工作者們采用流體分析軟件Fluent和智能算法進行了深入的研究.如許曉文等[6]采用計算流體力學(xué)(CFD)方法對C207 散熱器內(nèi)部速度場、壓力場分布進行了數(shù)值模擬分析，為散熱器的結(jié)構(gòu)優(yōu)化提供了參考；李夔寧等[7]研發(fā)了一種汽車散熱器性能試驗臺，并與MATLAB一維仿真結(jié)果進行對比分析，驗證了試驗臺的測試精度；段德昊等[8]采用 STAR-CCM+流體仿真軟件研究了散熱器進出口布置方式對流阻特性的影響，為散熱器進出口布置方式的選擇提供了理論基礎(chǔ).基于CFD(Computational Fluid Dynamics：計算流體動力學(xué))技術(shù)的數(shù)值模擬方法對整車用散熱器的流場特性進行數(shù)值模擬分析，可迅速獲得相應(yīng)的速度場、壓力場等流場細(xì)節(jié)信息，快速預(yù)測產(chǎn)品在給定工況下的工作性能，為產(chǎn)品前期的設(shè)計與開發(fā)提供仿真數(shù)據(jù)支撐及理論指導(dǎo)，縮短產(chǎn)品開發(fā)周期.由此可見，CFD仿真技術(shù)已是研究整車或整車附屬部件散熱性能的重要手段[9,10].

目前常用的CFD分析求解軟件有ANSYS CFD(Fluent&CFX),STAR-CCM+,NUMECA，COMSOL Multiphysics，Solidworks Flow Simulation，F(xiàn)loEFD，Phoenics，SC/Tetra，Simerics MP/MP+,TCFD,Openfoam等.其中，ANSYS CFD常用于化工、航天等軍工領(lǐng)域，Numeca、SC/Tetra、Simerics MP/MP+ 常用于旋轉(zhuǎn)機械(齒輪泵、風(fēng)扇、離心泵等)等運動部件的仿真，Comsol Multiphysics常用于電磁場、聲學(xué)及多物理耦合場分析，F(xiàn)loEFD和Phoenics常用于熱流體仿真及芯片熱設(shè)計分析等領(lǐng)域，Solidworks Flow Simulation也常用于閥門、換熱器等小型部件的模擬[11-18].相對于其它流體分析軟件，STAR-CCM+具有非常高的集成度，是集成幾何前處理、網(wǎng)格劃分、計算求解及后處理等功能于一體的流體分析軟件，且自帶網(wǎng)格包面修復(fù)技術(shù)、多面體網(wǎng)格、切割體網(wǎng)格及邊界層網(wǎng)格劃分技術(shù)，可根據(jù)需要選擇不同的網(wǎng)格類型生成高質(zhì)量的網(wǎng)格.該分析軟件已經(jīng)在整車、發(fā)動機、旋轉(zhuǎn)機械等領(lǐng)域得到了非常廣泛的應(yīng)用[19-26].

本文以某低速電動車用散熱器為研究對象，基于計算流體動力學(xué)方法，采用CFD仿真分析軟件STAR-CCM+ 11.06對搭載整車的兩款散熱器進行全三維流場計算，獲取最高車速45 km/h和怠速工況兩種運行工況下的風(fēng)量分布及速度分布等流場信息，依據(jù)流場分析結(jié)果分析風(fēng)量及速度分布的差異，為散熱器方案的選型提供仿真數(shù)據(jù)支撐及理論基礎(chǔ).

1 物理模型

某低速電動車整車三維模型如圖1所示.采用CATIA 2014軟件按照1∶1等比例繪制.為整車用散熱器選型提供理論指導(dǎo)，對該整車散熱器兩個方案進行流場對比分析，分析流場差異性.兩個散熱器方案(散熱器方案一、散熱器方案二)的三維模型如圖2所示.兩款散熱器和風(fēng)扇的主要區(qū)別為散熱器進出水室、散熱器過風(fēng)面積、風(fēng)扇罩、風(fēng)扇(風(fēng)扇旋向不同).

散熱器需搭載整車，構(gòu)建整車流體計算域模型進行整車流場計算，由于整車子系統(tǒng)較多，零部件數(shù)上千個，模型幾何非常復(fù)雜，在幾何前處理階段需要進行合理的簡化處理，一般對流場計算結(jié)果影響不大的部件(如螺栓、卡箍、小尺寸的安裝孔及不重要的線束等)做刪除處理，幾何簡化及清理后導(dǎo)入STAR-CCM+，采用相應(yīng)的網(wǎng)格劃分技術(shù)即可實現(xiàn)整車計算域網(wǎng)格的劃分.

圖1 某低速電動車三維模型示意圖

(a)散熱器方案一

(b)散熱器方案二圖2 整車用散熱器方案示意圖

利用STAR-CCM+對整體計算域網(wǎng)格進行劃分的過程為：幾何清理后模型導(dǎo)入STAR-CCM+后，首先采用包面技術(shù)(Surface wrapper)和自動漏洞縫補技術(shù)(Gap hole closure)進行整車流體域包面處理，包面網(wǎng)格完成后進行表面重構(gòu)(Surface Re-msher)，外部虛擬環(huán)境計算域、整車域、散熱器與冷凝器網(wǎng)格尺寸逐次降低，虛擬環(huán)境域與整車域間采用三個長方體區(qū)域局部加密，使網(wǎng)格平滑過渡，重構(gòu)后的網(wǎng)格表面比較光滑平順，再利用mesher功能進行面網(wǎng)格的劃分.最后采用切割體網(wǎng)格(Trimmer mesh)技術(shù)和邊界層網(wǎng)格技術(shù)(Prism layer mesh)進行網(wǎng)格劃分.切割體網(wǎng)格主要生成六面體網(wǎng)格單元，邊界層網(wǎng)格模型在CAD表面上產(chǎn)生棱柱層單元，以保持實體壁面區(qū)域的高質(zhì)量離散化，切割體網(wǎng)格與邊界層網(wǎng)格的結(jié)合運用在整車分析中運用廣泛[21].

圖3為整車計算域網(wǎng)格模型示意圖.淺灰色為虛擬計算域，計算域長為10倍車長、寬為7倍車寬、高為5倍車高，計算兩款散熱器的模型差異僅是散熱器、風(fēng)扇和風(fēng)扇罩；淺紅色為計算域進口，淺黃色為計算域出口，最高車速45 km/h和怠速工況均為壓力出口.整車機艙內(nèi)部網(wǎng)格示意圖如圖4所示.以整車前端進風(fēng)格柵風(fēng)量為監(jiān)測變量，對整車計算域網(wǎng)格數(shù)量無關(guān)性研究后得出在整車計算域網(wǎng)格數(shù)量達到3 000萬后，結(jié)果趨于穩(wěn)定.本文整車計算域網(wǎng)格數(shù)量約為3 150萬.

(a)整車計算域網(wǎng)格

(b)截面網(wǎng)格示意圖圖3 整車計算域模型網(wǎng)格示意圖

圖4 整車機艙網(wǎng)格示意圖

2 數(shù)學(xué)模型

本文選用STAR-CCM+ 11.06中Realizable k-ε湍流模型進行冷卻水泵流場數(shù)值模擬研究[27].本文模擬不考慮溫度，數(shù)值求解過程僅需要求解流體連續(xù)性方程和動量方程.STAR-CCM+模擬分析就是求解相應(yīng)的控制方程，計算完成即可獲得相應(yīng)的流場模擬信息.流體流動通用控制方程一般表示為[28]：

(1)

3 模型求解

本文風(fēng)扇的旋轉(zhuǎn)采用MRF(Moving Reference Frame：旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)參考系)方法實現(xiàn)，葉輪旋轉(zhuǎn)速度為2 400 r/min.計算域進口邊界在最高車速45 km/h時為速度進口，計算怠速工況時為停滯入口；計算域出口邊界在最高車速45 km/h和怠速工況均為壓力出口邊界.虛擬計算域外框壁面邊界為滑移壁面邊界，其余固體壁面為無滑移壁面邊界，計算域壁面函數(shù)采用STAR-CCM+推薦的Two Layer All Y+ Wall Treatment模型.流體介質(zhì)為20 ℃的空氣，密度為1.18 kg/m3.對于機艙內(nèi)空氣流動來說，可以將兩款散熱器空氣流動側(cè)等效為多孔介質(zhì)模型且具有相同的慣性阻尼和粘性阻尼.因此，在STAR-CCM+中將散熱器和冷凝器處理為多孔介質(zhì)區(qū)域；通過實驗結(jié)果計算得到各多孔介質(zhì)區(qū)域的阻力特性.散熱器的阻力特性參數(shù)為慣性阻尼52.86 kg/m4，粘性阻尼649.68 kg/m3·s；冷凝器的阻力特性參數(shù)為慣性阻尼40.93 kg/m4，粘性阻尼269.01 kg/m3·s.

計算過程中需監(jiān)測通過冷凝器多孔介質(zhì)、散熱器多孔介質(zhì)、前端進氣格柵的風(fēng)量大小.四個進風(fēng)量監(jiān)測面(進氣格柵上、進氣格柵下、散熱器、冷凝器)的示意圖如圖5所示.STAR-CCM+流體計算軟件計算運行時，通過自動耦合求解連續(xù)性方程、N-S方程及k-ε兩方程湍流模型方程等數(shù)學(xué)模型方程，迭代計算完成后即可獲得各監(jiān)測量的數(shù)值.

圖5 進風(fēng)量監(jiān)測面示意圖

4 數(shù)值模擬結(jié)果分析

4.1 風(fēng)量分布

圖6為各監(jiān)測面進風(fēng)量對比圖.從圖6可以得出：

(1)在最高車速45 km/h時，散熱器方案二比方案一的風(fēng)量小7.5%(散熱器風(fēng)量變化百分比=100*(散熱器方案二中散熱器監(jiān)測面風(fēng)量-散熱器方案一中散熱器監(jiān)測面風(fēng)量)/散熱器方案一中散熱器監(jiān)測面風(fēng)量，負(fù)值代表散熱器方案二的風(fēng)量比散熱器方案一的風(fēng)量小)；怠速工況時，散熱器方案二的進風(fēng)量比散熱器方案一的進風(fēng)量小11.3%.故散熱器方案二的冷卻風(fēng)量分布比散熱器方案一較差.

(2)在最高車速45 km/h時，散熱器方案二下對應(yīng)的冷凝器風(fēng)量比散熱器方案一所對應(yīng)的冷凝器風(fēng)量小2.5%(冷凝器風(fēng)量變化百分比=100*(散熱器方案二中冷凝器監(jiān)測面風(fēng)量-散熱器方案一中冷凝器監(jiān)測面風(fēng)量)/散熱器方案一中冷凝器監(jiān)測面風(fēng)量，負(fù)值代表散熱器方案二中冷凝器風(fēng)量比散熱器方案一中冷凝器風(fēng)量小)；怠速工況時，散熱器方案二對應(yīng)的冷凝器風(fēng)量比散熱器方案一對應(yīng)的冷凝器風(fēng)量小4.2%.故采用散熱器方案二搭載整車運行的話，冷凝器風(fēng)量冷卻略差.

(3)在最高車速及怠速工況下，由進氣格柵上、進氣格柵下進入機艙的風(fēng)量值相差不大，表明兩個散熱器方案對前保進氣基本無影響.

圖6 進風(fēng)量監(jiān)測面示意圖

4.2 速度分布

圖7～8分別為最高車速45 km/h下散熱器、冷凝器速度分布云圖.45 km/h工況時兩個散熱器方案的速度分布不存在明顯的速度死區(qū)，散熱器方案二的速度集中區(qū)域比散熱器方案一的速度集中區(qū)域略多，速度均勻性較差；冷凝器截面的速度分布差異較小.

(a)散熱器方案一下散熱器截面風(fēng)速分布

(b)散熱器方案二下散熱器截面風(fēng)速分布圖7 45 km/h散熱器截面風(fēng)速分布

(a)散熱器方案一下冷凝器截面風(fēng)速分布

(b)散熱器方案二下冷凝器截面風(fēng)速分布圖8 45 km/h冷凝器截面風(fēng)速分布

圖9～10分別為怠速工況下散熱器、冷凝器速度分布云圖.怠速工況下兩散熱器方案的散熱器速度分布與最高車速下的速度分布具有相同的分布規(guī)律，即不存在速度死區(qū)，散熱器方案二的散熱器速度集中區(qū)域較多，速度均勻性較差；怠速工況時冷凝器速度分布差異不大，在冷凝器上下邊緣都存在小區(qū)域的零速度區(qū).

(a)散熱器方案一下散熱器截面風(fēng)速分布

(b)散熱器方案二下散熱器截面風(fēng)速分布圖9 怠速工況散熱器截面風(fēng)速分布

(b)散熱器方案二下冷凝器截面風(fēng)速分布圖10 怠速工況冷凝器截面風(fēng)速分布

圖11～12分別為45 km/h、怠速下發(fā)動機表面速度分布云圖.從圖中可以看出，兩種工況下散熱器方案一的發(fā)動機表面速度分布比散熱器方案二的發(fā)動機表面速度分布略差，原因是風(fēng)扇旋向的不同，促使散熱器方案二中的風(fēng)扇旋轉(zhuǎn)運動的作用，更有利于將風(fēng)導(dǎo)向發(fā)動機.整體上來看，兩個散熱器方案下發(fā)動機表面速度分布都比較均勻，高溫區(qū)域(缸頭及消聲器)皆有較多的冷卻風(fēng)吹過，利于發(fā)動機本體的散熱.

(a)散熱器方案一下發(fā)動機表面風(fēng)速分布

(b)散熱器方案二下發(fā)動機表面風(fēng)速分布圖11 45 km/h發(fā)動機表面速度分布

(a)散熱器方案一下發(fā)動機表面風(fēng)速分布

(b)散熱器方案二下發(fā)動機表面風(fēng)速分布圖12 怠速工況發(fā)動機表面速度分布

為了驗證本文構(gòu)建模型的有效性及仿真結(jié)果的準(zhǔn)確性，采用整車底盤臺架實驗室對散熱器方案一進行怠速工況的實驗測試.利用如圖13所示的小型精密風(fēng)速儀對散熱器前風(fēng)速進行取點監(jiān)測，對散熱器前端進行3×3矩陣的9個風(fēng)速測量點，并與仿真計算結(jié)果作對比，得出圖14的風(fēng)速對比結(jié)果圖.從圖中可以看出，實驗測量風(fēng)速與仿真模擬風(fēng)速值基本一致.散熱器方案一的最高車速工況、散熱器方案二的兩個工況的仿真計算都與散熱器方案一的怠速工況采用相同網(wǎng)格參數(shù)控制策略和計算求解方法，計算域基本一致，因此仿真計算結(jié)果應(yīng)有與散熱器方案一的怠速工況結(jié)果類似的計算精度.由此可以得出本文構(gòu)建的計算模型是有效合理的.

圖13 小型精密風(fēng)速儀及測量點

圖14 散熱器方案一怠速工況實驗與仿真對比

圖15為45 km/h下散熱器方案一的整車流線速度圖.由于未改動整車的任何外觀部件，兩個散熱器方案下不同計算工況的整車外部流線分布趨勢基本一致.圖16～17分別為45 km/h、怠速下機艙內(nèi)速度流線圖，從流線細(xì)節(jié)可以看出，散熱器方案二中風(fēng)扇出風(fēng)后的速度流線更多地流向了發(fā)動機，因此從發(fā)動機表面風(fēng)速來看，散熱器方案二下發(fā)動機表面風(fēng)速分布略好.

圖15 整車流線分布

(a)散熱器方案一下發(fā)動機艙內(nèi)速度流線分布

(b)散熱器方案二下發(fā)動機艙內(nèi)速度流線分布圖16 45 km/h機艙內(nèi)速度流線

(a)散熱器方案一下發(fā)動機艙內(nèi)速度流線分布

(b)散熱器方案二下發(fā)動機艙內(nèi)速度流線分布圖17 怠速工況機艙內(nèi)速度流線

5 結(jié)論

本文采用CFD方法對某低速電動車用散熱器進行了流場數(shù)值模擬分析，研究了兩種散熱器方案的流場結(jié)果差異，得出如下結(jié)論：

(1)散熱器方案二在最高車速45 km/h和怠速工況下的冷卻風(fēng)量都比散熱器方案一的冷卻風(fēng)量低，分別低7.5%、11.3%，散熱器方案二的風(fēng)量分布較差；同理，在最高車速和怠速工況下，散熱器方案二對應(yīng)的冷凝器風(fēng)量也比散熱器方案一的風(fēng)量分別低2.5%、4.2%，散熱器方案二對應(yīng)的冷凝器風(fēng)量也略差；

(2)最高車速及怠速工況下，兩個散熱方案中由進氣格柵上、進氣格柵下進入機艙的風(fēng)量基本相同，前保進氣基本無影響；散熱器方案二的散熱器風(fēng)速分布比方案一風(fēng)速分布略差，冷凝器風(fēng)速分布基本一致； 散熱器方案二搭載整車后對應(yīng)的發(fā)動機表面速度分布比散熱器方案一對應(yīng)的速度分布略好，原因是散熱器方案二的風(fēng)扇旋向(從車頭往車尾為逆時針旋轉(zhuǎn))有利于將更多的冷卻風(fēng)導(dǎo)向發(fā)動機；

(3)整體來看，散熱器方案一的風(fēng)量和風(fēng)速分布優(yōu)于散熱器方案二，建議采用散熱器方案一搭載整車進行路試；若采用散熱器方案二，應(yīng)根據(jù)整車結(jié)構(gòu)布置和風(fēng)扇性能等方面綜合考慮，改善散熱器結(jié)構(gòu)參數(shù)或在滿足噪聲要求的情況下提升轉(zhuǎn)速來提升散熱器風(fēng)量，達到相應(yīng)的冷卻效果.本文的研究結(jié)果可為整車用散熱器的方案選型提供仿真數(shù)據(jù)支撐及理論參考.