车辆散热器模块流动与传热问题的数值分析与试验研究

摘要

车辆冷却系统主要由水泵、风扇和散热器模块等组成，其匹配与调节能力直接关系到整车运行的经济性、可靠性、舒适性以及排放性能。随着车辆综合性能的不断提高，发动机及传动装置、空调以及液压设备等的散热负荷相应增加，与此同时，对冷却系统工作可靠性、功率消耗以及结构紧凑性提出了更高的要求。在高效紧凑型冷却系统开发中，散热器模块的优化设计技术是重要的研究内容之一。本文采用试验测试和数值模拟手段，对散热器模块中的流动与传热问题进行了较为系统与深入的研究，旨在为散热器模块的优化设计寻求理论指导依据。论文的主要工作内容如下： (1)利用计算流体力学和数值传热学方法对散热器中流体的流动和传热进行了模拟分析。首先建立了散热器的三维简化几何模型，并根据结构特点分别采用了不同的网格类型进行空间区域的离散。把散热器芯体简化为多孔介质，应用有限容积法离散控制方程并实现离散方程的线性化，采用SIMPLEC算法处理压力一速度耦合问题，并用Gauss-Seidel隐式点迭代法结合代数多重网格法求解代数方程。然后对计算结果利用数据可视化技术进行后处理，获取散热器中详细的压力场和速度场等数据。 本文首次运用CFD方法对并联结构式散热器模块中冷却空气的流量分配问题进行了三维数值模拟，经散热器模块的风洞试验验证，数值计算结果与实验符合良好，数值模拟结果与实验值的最大偏差为-8．5％，计算获得的空气流量分配比率比较合理。对油冷器进出油口位置对油冷器的压力损失和流量分配均匀性的影响的数值模拟分析表明，在该型油冷器中，油流动均匀，进出油管位置对油冷器的流动均匀性和压力损失影响不大。对油冷器中油和冷却空气的耦合传热问题进行了三维数值模拟，数值模拟结果与风洞试验值的偏差较大。研究结果表明，压降的数值计算结果与实验结果符合良好，但是耦合传热的误差还偏大，有待进一步研究散热器的耦合传热，但计算获取的数据对散热器模块的匹配设计具有一定参考意义。 (2)利用风洞试验技术，研究了散热器间的间距、散热器热侧介质进出口位置等安装参数在不同冷却风速下对散热器模块流动与传热性能的影响，获得了在不同风速下各单体散热器的风阻及散热性能数据。对试验结果的分析表明：间距改变对第一排散热器的性能影响较小，第二排散热器的性能随间距的增大而大幅增强，导致第三排散热器的散热性能变差，但增大间距，有利于提高散热器模块总的散热性能；合理布置散热器热介质的进出口位置，有利于提高模块的散热性能。该试验研究为散热器模块的匹配设计提供了参考和依据。 (3)为了更真实地模拟实车环境，自行开发了整车热系统测试平台，该系统可以作为车辆冷却系统研究与开发的基础，可以用来研究整车热量分布情况，模拟发动机热负荷特性和冷却系统工作的车用环境，对冷却系统进行系统性能评价试验、部件选型与匹配试验、运行控制策略试验和系统集成试验等。本文利用该试验台，在某型装载机的实际动力舱以及冷却系统的布置方式下，分别在传动系统单独工作时、液压系统单独工作时、传动系统和液压系统共同工作时，测试了各个散热器散热量的分布情况和风道内风速的分布。通过对试验结果进行分析，发现了导致原系统过热的原因，并提出了多种系统改进方案，根据按改进方案之一设计制造了一组散热器模块，风洞试验和路试表明，改进后的散热器模块满足系统性能要求。研究表明，利用该整车热系统测试平台进行散热器模块的匹配设计和车辆冷却系统的集成试验是可行的。

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文摘

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第1章绪论

第2章散热器模块流动与传热模型的建立与求解方法

第3章散热器模块流动与传热数值模拟实例

第4章散热器模块流动与传热特性的风洞试验研究

第5章整车冷却系统流动与传热的试验研究

第6章全文工作总结与展望

参考文献

致谢

攻读博士学位期间的研究成果及发表的学术论文