基于CFD方法的汽车中冷器数值模拟研究

摘要

随着我国汽车工业的发展，管带式中冷器以其极大的紧凑性、优良的换热性能，在汽车冷却系统中得到了越来越广泛的应用。国内外的科学工作者在中冷器、散热器热侧、冷空气侧结构参数变化对其性能的影响规律和换热机理方面进行了深入、系统的研究。
　　由于中冷器的内部流场复杂性、结构复杂性，这使得实验研究受到了许多限制。本文运用CFD软件对其冷却扁管侧、百叶窗翅片侧的温度场及流场进行了数值模拟分析，可以清楚的了解冷却管、百叶窗翅片内部的压力、温度等参数的分布和变化情况。优化其几何结构参数，可以大大降低实验设计费用和缩短设计周期。
　　本文建立了冷却扁管、百叶窗翅片三维有限元模型，考虑了扁管侧、百叶窗翅片侧导热和空气对流换热的耦合因素，研究了四种不同结构冷却扁管、十一种不同结构参数翅片（翅片波距、翅片波高、翅片厚度、百叶窗间距、百叶窗角度）对中冷器传热和流动性能的影响规律。并将冷却管数值计算结果同传热Gnielinski实验关联式、Webb实验关联式、摩擦因子Filonenko经验公式、Blasius关联式进行了对比;而百叶窗翅片数值结果同Dong junqi实验关联式和Davenport实验关联式进行了对比，发现数值计算值与实验关联式结果各点吻合的良好。通过无量纲因子(j/f)1/3方法评价了口琴式冷却管具有最优换热性能，斜撑式结构次之。并综合评价了百叶窗角度为25°具有最好的综合性能。还通过数值计算，预测了百叶窗翅片侧结构参数变化对中冷器换热特性的灵敏度，如翅片波距变化对换热和压降灵敏度较高;而翅片厚度、百叶窗间距、百叶窗角度变化对换热和压力损失影响较弱，灵敏度都较低，为换热和压力损失的次要因素。
　　本文对中冷器两侧的流动和换热进行了比较全面的数值模拟，分析了各种几何结构参数的影响，具有一定的学术意义和工程价值，为汽车冷却系统的匹配选型和优化设计提供了理论依据。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 研究背景

1．2 汽车中冷器技术研究现状

1．2．1 国外研究现状

1．2．2 国内研究现状

1．3 本文的主要研究内容及意义

第2章 管带式中冷器的传热和流动理论分析

2．1 管带式中冷器的结构

2．2 管带式中冷器的传热分析

2．3 管带式中冷器的流阻分析

2．4 中冷器翅片的性能评价方法

2．5 本章小结

第3章 数值计算模型和方法的选取

3．1 基本控制方程组

3．1．1 质量守恒方程(连续方程)

3．1．2 动量守恒方程(N-S方程)

3．1．3 能量守恒方程

3．1．4 湍流输运方程

3．2 计算模型的选择

3．2．1 湍流模型

3．3 数值计算方法

3．3．1 有限差分法

3．3．2 有限元法

3．3．3 有限体积法

3．3．4 流场计算SIMPLE方法

3．4 数值计算求解过程

3．5 本章小结

第4章 冷却扁管结构参数对中冷器性能的影响分析

4．1 物理模型及简化假设

4．2 有限元模型及网格无关性测试

4．2．1 网格划分

4．2．2 计算边界条件

4．2．3 网格无关性测试

4．3 有限元模型正确性验证

4．4 不同断面结构扁管的数值计算

4．4．1 结构参数对传热因子影响

4．4．2 结构参数对摩擦因子影响

4．5 冷却管综合性能评价

4．6 本章小结

第5章 散热带结构参数对中冷器性能的影响分析

5．1 几何模型及简化假设

5．2 散热带翅片有限元模型

5．3 结构参数对空气侧影响规律

5．3．1 温度场理论分析

5．3．2 翅片波高Hc的影响

5．3．3 翅片波距Wc的影响

5．3．4 翅片厚度Tc的影响

5．3．5 百叶窗间距Lp的影响

5．3．6 百叶窗角度θ的影响

5．4 翅片结构综合性能评价

5．5 本章小结

第6章 结论与展望

6．1 结论

6．2 后续研究及工作展望

参考文献

致谢