張遠(yuǎn)杰，張九新，曹 進(jìn)，俞 亮

（1.揚(yáng)州大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，江蘇 揚(yáng)州 225127；2.南通江華熱動(dòng)力機(jī)械有限公司，江蘇 南通 226301）

1 引言

換熱器作為一種通用設(shè)備，在能源動(dòng)力、石油化工、通暖空調(diào)、航空航天及冶金機(jī)械等很多行業(yè)領(lǐng)域都得到了非常廣泛的應(yīng)用[1]。管翅式散熱器在制冷行業(yè)具有廣泛的應(yīng)用，其具有的緊湊型設(shè)計(jì)現(xiàn)在也被農(nóng)用機(jī)械所采用。

為了提高換熱器的換熱效率文獻(xiàn)[2]從實(shí)驗(yàn)的角度對(duì)管翅式換熱器的換熱特性進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究，發(fā)現(xiàn)在其他條件相同時(shí)，熱邊液壓油入口溫度越高，進(jìn)出口溫差越大，換熱效果越好。文獻(xiàn)[3]對(duì)市面上采暖散熱器進(jìn)行數(shù)值計(jì)算并與實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果進(jìn)行比較，發(fā)現(xiàn)隨著溫差的增大，散熱器的散熱量也隨之增大，而且實(shí)驗(yàn)測(cè)試與數(shù)值計(jì)算散熱量相差13.5%；文獻(xiàn)[4]對(duì)仿真優(yōu)化的計(jì)算算法進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)PSO算法具有更強(qiáng)的全局搜索能力和更高的計(jì)算效率，對(duì)這里的計(jì)算策略的選擇具有一定的指導(dǎo)意義。文獻(xiàn)[5]對(duì)橢圓管翅式換熱器的進(jìn)風(fēng)角度進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)進(jìn)風(fēng)角度為90°時(shí)相鄰橢圓管通道分布最均勻。

這里主要研究在不同的進(jìn)風(fēng)速度以及油氣溫差下，管翅式機(jī)油冷卻器的散熱效果，結(jié)合試驗(yàn)數(shù)據(jù)驗(yàn)證了仿真模型的有效性。

2 基于SolidWorks油冷器模型建立

油管與翅片是管翅式散熱器的主要散熱部件，這里選定2017-12-080Y型管翅式機(jī)油冷卻器作為對(duì)象進(jìn)行分析，如圖1所示。SolidWorks是目前市場(chǎng)上功能強(qiáng)大的三維造型軟件之一，相對(duì)于其他三維軟件易于操作。使用SolidWorks對(duì)其主要散熱部件進(jìn)行三維造型能夠極大程度上還原油冷器的實(shí)際參數(shù)，如圖2所示。

圖1 2017-12-080Y型管翅式機(jī)油冷卻器Fig.1 2017-12-080Y Tube-and-Fin Engine Oil Cooler

圖2 管翅式機(jī)油冷卻器2017-12-080Y Solidworks模型Fig.2 Pipe-Wing Oil Cooler 2017-12-080Y Solidworks Model

管翅式油冷器采用的平板式翅片是最為常見(jiàn)的翅片之一，易于加工，采用脹管工藝能夠很容易實(shí)現(xiàn)與油管的裝配。每個(gè)翅片的大小一致，采用矩形陣列的方法可以很容易建立好所需的模型。

表1 翅片與油管設(shè)計(jì)參數(shù)Tab.1 Fin and Tubing Design Parameters

3 網(wǎng)格的劃分

將模型導(dǎo)入ANSYS Workbench軟件CFX模塊，使用Mesh?ing進(jìn)行網(wǎng)格劃分。由于翅片、油管、空氣和機(jī)油之間涉及到熱交換，故采用連續(xù)網(wǎng)格劃分，對(duì)整個(gè)網(wǎng)格進(jìn)行全局控制。網(wǎng)格劃分后共有4036631個(gè)單元，856066個(gè)節(jié)點(diǎn)。

表2 流體網(wǎng)格全局控制下的參數(shù)選項(xiàng)Tab.2 Parameter Options under Fluid Grid Global Control

4 數(shù)值計(jì)算

4.1 控制方程

在模型設(shè)定的流體介質(zhì)中，流體機(jī)油和流體空氣設(shè)定為不可壓縮的牛頓流體，機(jī)油與空氣的流動(dòng)遵循動(dòng)量守恒定律、能量守恒定律和質(zhì)量守恒定律，其基本控制方程如下：

連續(xù)性方程：

動(dòng)量方程：

能量方程：

式中：u、v、w—x、y、z方向的速度分量；gx、g y、gz—x、y、z方向的重力加速度；p—壓力；ρ—流體密度；μ—流體粘度；T—溫度；t—時(shí)間；λ—導(dǎo)熱系數(shù)；Cp—定壓比熱。

4.2 傳熱模型

ANSYS CFX模塊中傳熱類型包括無(wú)熱量傳遞、等溫模型、熱晗模型和全熱模型。本模型中管道內(nèi)機(jī)油流速與空氣流速都不高，無(wú)需考慮流體動(dòng)能帶來(lái)的熱量變化，只需計(jì)算對(duì)流換熱及熱傳導(dǎo)，故選擇熱晗模型。

4.3 湍流模型

選擇最典型的k-ε湍流模型（k-Epsilon）。此模型是最典型的湍流模型，也是應(yīng)用最廣泛的工業(yè)模型。此模型已被證明是可靠的，具有良好的預(yù)測(cè)能力，數(shù)據(jù)輸出穩(wěn)定，與其他的湍流模型相比較易于收斂。

4.4 邊界條件

進(jìn)油口采用入口方式（Inlet），保持流量一定，溫度按照表3依次設(shè)定；出油口采用出口方式（Outlet），保持出口壓力為零；進(jìn)風(fēng)口采用入口方式（Inlet），控制進(jìn)風(fēng)速度，風(fēng)速按照表3依次設(shè)定；出風(fēng)口采用開(kāi)口方式（Opening），既可以作為入口邊界，也可以作為出口邊界。

表3 入口邊界參數(shù)值Tab.3 Entrance Boundary Parameter Values

4.5 求解器控制

對(duì)于收斂的判斷主要是根據(jù)殘差值的大小，一般設(shè)置為1×10-4，具體參數(shù)，如表4所示。

表4 求解控制器的參數(shù)選項(xiàng)Tab.4 Solving The Controller's Parameter Options

5 結(jié)果與分析

5.1 試驗(yàn)過(guò)程

管翅式機(jī)油冷卻器試驗(yàn)安裝圖，如圖3所示。試驗(yàn)系統(tǒng)主要包括管翅式換熱器，機(jī)油儲(chǔ)藏箱，泵，溫度、壓力傳感器，渦輪流量計(jì)，機(jī)油流量控制器，風(fēng)機(jī)，主風(fēng)道，風(fēng)量計(jì)，熱風(fēng)調(diào)節(jié)風(fēng)門等部分。將管翅式換熱器固定在風(fēng)洞試驗(yàn)臺(tái)中，管翅式換熱器附近溫度為35℃，進(jìn)油口流量保持23.4L∕min不變，進(jìn)油口溫度分別為50℃、60℃、70℃、80℃、90℃，進(jìn)風(fēng)口速度分別為2m∕s、4m∕s、6m∕s、8m∕s，測(cè)量出各個(gè)進(jìn)油口溫度和進(jìn)風(fēng)口速度下的出油口溫度，并計(jì)算出其散熱功率。

圖3 管翅式機(jī)油冷卻器試驗(yàn)安裝圖Fig3 Tube-Wing Oil Cooler Test Installation Diagram

5.2 油氣溫差與散熱功率分析

不同風(fēng)速下機(jī)油冷卻器油氣溫差與散熱功率圖，如圖4所示。在進(jìn)風(fēng)口風(fēng)速一定時(shí)，隨著油氣兩側(cè)的溫差增大，油冷器的散熱功率也增大。當(dāng)風(fēng)速為2m∕s時(shí)，油氣溫差每增加10K，散熱功率增加0.22kW；當(dāng)風(fēng)速為4m∕s時(shí)，油氣溫差每增加10K，散熱功率增加0.32kW；當(dāng)風(fēng)速為6m∕s時(shí)，油氣溫差每增加10K，散熱功率增加0.36kW；當(dāng)風(fēng)速為8m∕s時(shí)，油氣溫差每增加10K，散熱功率增加0.41kW。試驗(yàn)數(shù)據(jù)結(jié)果與仿真數(shù)據(jù)結(jié)果基本一致，試驗(yàn)數(shù)據(jù)略有波折，仿真數(shù)據(jù)比較平滑。誤差主要出現(xiàn)在油氣溫差為35K和45K時(shí)，由于試驗(yàn)時(shí)先保持進(jìn)口油溫一致再改變風(fēng)速大小，改變風(fēng)速的過(guò)程中可能對(duì)進(jìn)口油溫造成影響。

圖4 不同風(fēng)速下的油氣溫差與散熱功率圖Fig.4 Oil Temperature Difference and Heat Dissipation Power Diagram at Different Wind Speeds

5.3 進(jìn)風(fēng)口風(fēng)速與散熱功率分析

不同油氣溫差下進(jìn)風(fēng)口風(fēng)速與散熱功率圖，如圖5所示。當(dāng)油氣溫差一定時(shí)，隨著進(jìn)風(fēng)口風(fēng)速的遞增，散熱功率也隨之增加，當(dāng)油氣溫差為15K時(shí)，風(fēng)速每增加2m∕s，散熱功率增加0.16kW；當(dāng)油氣溫差為25K時(shí)，風(fēng)速每增加2m∕s，散熱功率增加0.22kW；當(dāng)油氣溫差為35K時(shí)，風(fēng)速每增加2m∕s，散熱功率增加0.29kW；當(dāng)油氣溫差為45K時(shí)，風(fēng)速每增加2m∕s，散熱功率增加0.35kW；當(dāng)油氣溫差為55K時(shí)，風(fēng)速每增加2m∕s，散熱功率增加0.41kW。試驗(yàn)數(shù)據(jù)與仿真數(shù)據(jù)有所偏差，但差異不是很大，仿真數(shù)據(jù)總體上比試驗(yàn)數(shù)據(jù)略高，尤其是風(fēng)速處于8m∕s時(shí)最為明顯，這是由于在試驗(yàn)過(guò)程中首先保持油溫不變，風(fēng)速由大變小，測(cè)得一組數(shù)據(jù)后改變油溫，風(fēng)速再有小變大測(cè)得另一組數(shù)據(jù)，在此過(guò)程中試驗(yàn)場(chǎng)地與仿真模擬時(shí)風(fēng)域的大小有差異，仿真的風(fēng)域規(guī)則但小于試驗(yàn)時(shí)的風(fēng)域，正向風(fēng)速相對(duì)集中散熱效果較好。

圖5 不同油氣溫差下的進(jìn)風(fēng)口風(fēng)速與散熱功率圖Fig.5 Wind Speed and Heat Dissipation Diagram of Air Inlet under Different Oil Temperature Difference

5.4 管翅式換熱器溫度場(chǎng)分析

進(jìn)風(fēng)口風(fēng)速為8m∕s、油氣溫差為15K時(shí)Y方向油管內(nèi)部溫度場(chǎng)分布圖，如圖6（a）所示。從圖中明顯可以看出，從入口油溫到出口油溫呈下降趨勢(shì)，且與翅片存在明顯的熱交換，由此可見(jiàn)管翅式散熱器的散熱過(guò)程是一個(gè)漸變的過(guò)程。進(jìn)風(fēng)口風(fēng)速為8m∕s、油氣溫差為15K時(shí)Y方向油管外部溫度場(chǎng)分布圖，如圖6（b）所示。從圖中可以看出，U型彎處的溫度明顯比直管處的溫度高，這是由于在U型彎處沒(méi)有翅片，單位面積內(nèi)散熱面積較直管處的散熱面積小，由此得出散熱面積的大小對(duì)管翅式換熱器的散熱性能有很大的影響。

圖6 進(jìn)風(fēng)口風(fēng)速為8m∕s、油氣溫差為15K時(shí)Y方向油管溫度場(chǎng)分布Fig.6 Distribution of Temperature F?ield in the Y Direction When the Wind Speed at the Inlet is 8m∕s and the Oil Temperature Difference is 15K

5.5 MATLAB曲線擬合

由于進(jìn)風(fēng)口風(fēng)速與進(jìn)油口溫差比較方便獲得，為了方便預(yù)估管翅式換熱器的散熱功率，使用MATLAB對(duì)已有的進(jìn)風(fēng)口風(fēng)速、進(jìn)油口溫差以及對(duì)應(yīng)的散熱功率進(jìn)行曲線擬合，得出進(jìn)風(fēng)口風(fēng)速和進(jìn)油口溫差與散熱功率的數(shù)值關(guān)系式，為其他進(jìn)風(fēng)口風(fēng)速和油氣溫差計(jì)算散熱功率提供預(yù)估值。使用插值法擬合對(duì)已知數(shù)值的還原性較好，但是插值法對(duì)未知數(shù)據(jù)的預(yù)測(cè)偏差較大且無(wú)法量化描述，由進(jìn)風(fēng)口風(fēng)速和進(jìn)油口溫差與散熱功率的關(guān)系圖可知，進(jìn)風(fēng)口風(fēng)速與進(jìn)油口溫差基本呈線性正相關(guān)關(guān)系，因此這里采用多項(xiàng)式對(duì)進(jìn)風(fēng)口風(fēng)速、進(jìn)油口溫差和散熱功率進(jìn)行擬合，依次采用一次多項(xiàng)式到三次多項(xiàng)式進(jìn)行擬合，一次和二次多項(xiàng)式擬合后相對(duì)誤差在10%左右偏差較大，三次多項(xiàng)式擬合后相對(duì)誤差基本上在5%以內(nèi)（如圖7所示）基本滿足仿真計(jì)算要求，得到進(jìn)風(fēng)口風(fēng)速和進(jìn)油口溫差變化與散熱功率的關(guān)系式：

圖7 進(jìn)風(fēng)口風(fēng)速、進(jìn)油口溫差與散熱功率圖Fig.7 Wind Inlet Speed，Inlet Temperature Difference and Heat Dissipation Diagram

式中：x—進(jìn)風(fēng)口風(fēng)速；y—進(jìn)油口溫差；z—散熱功率。

表5 各項(xiàng)系數(shù)值Tab.5 Coefficient Values

6 結(jié)論

采用SolidWorks對(duì)機(jī)油冷卻器進(jìn)行三維造型，運(yùn)用ANSYS CFX軟件對(duì)其進(jìn)行溫度場(chǎng)模擬仿真，仿真結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果相近，仿真模型較為準(zhǔn)確?？梢栽谏倭康脑囼?yàn)下運(yùn)用此模型對(duì)機(jī)油冷卻器進(jìn)行散熱性能分析，縮短了機(jī)油冷卻器的開(kāi)發(fā)周期，提高了散熱器的設(shè)計(jì)效率，對(duì)管翅式機(jī)油冷卻器的設(shè)計(jì)及散熱分析具有指導(dǎo)意義。通過(guò)MATLAB擬合出的進(jìn)風(fēng)口風(fēng)速和進(jìn)油口溫差與散熱功率的表達(dá)式，對(duì)散熱功率進(jìn)行計(jì)算，相對(duì)誤差基本上在5%以內(nèi)，所得出的表達(dá)式對(duì)散熱功率的計(jì)算具有一定的預(yù)估性。