锯齿型错列翅片冷却器的传热、阻力及工艺特性的研究

摘要

长期以来，适合于我国现有加工水平，以液态流体为工作介质的锯齿型错列翅片的基础研究仍然不足，限制了我国锯齿型错列翅片冷却器的自主开发与创新。本文的研究目的是综合考虑换热器的各种影响因素，得到适合于我国生产现状的换热器的设计理论与方法。紧密结合国内换热器加工工艺的实际情况，对多型锯齿型错列翅片进行试验及仿真研究；得到能够预测锯齿型错列翅片冷却器的传热及阻力性能的试验关联式；翅片性能的仿真结果用于指导翅片重要几何参数的加工公差设计；重点研究了换热器的两个重要加工工艺-翅片冲压和不锈钢真空钎焊工艺对换热器性能的影响，并探讨了量化的修正方法；最终以锯齿型翅片的板翅式机油冷却器为例进行数值模拟和性能预测。 (1)搭建了以单层翅片单元为测试对象的传热及阻力性能试验台，以发动机润滑系统中常用的CD15W/40润滑油为工作介质，分别对23种HPD(HighPressureDirection)型、26种LPD(LowPressureDirection)型、16种X(InclinedDirection)型锯齿型错列翅片在实际工况下进行试验研究，分析各几何参数对翅片传热及阻力性能的影响，得到适用于实际工程应用的各型锯齿型翅片的试验关联式，用以预测锯齿型错列翅片冷却器的传热及阻力性能。 (2)采用计算流体力学仿真技术，对HPD型锯齿型错列翅片性能进行数值模拟。田口方法是田口玄一博士依据统计学原理开发出来的一种方法，是运用试验设计方法选择影响系统质量特性值的各元部件参数的最佳值及最适宜的组合，使系统的质量特性波动最小，稳定性最好的方法。引入田口方法，对HPD型锯齿型错列翅片进行参数化研究，综合考虑翅片的性能与成本，得到优化几何参数的翅片方案。引入多元质量-成本损失函数，以换热器的换热量和压降为两个质量指标，以两元质量-成本总损失为优化目标函数，对翅片的齿高、齿距几何参数进行加工容差设计，用于指导翅片加工中的公差控制，便于得到高性能、低成本的产品。 (3)基于翅片-基板钎焊接头的成型机理和钎焊熔融平衡过程中的最小能量原则，对翅片-基板钎焊接头形态进行预测，定量得出翅片的焊料厚度与钎焊接头几何形态的关联式。采用有限元分析方法，对比不同参数下的翅片-基板钎焊接头的接触热阻，结果表明，翅片的焊料厚度越大，其接触热阻越小，越有利于翅片传热效率的提高。对具有在不同焊料厚度下成型的不同钎焊接头的翅片进行传热及阻力性能的CFD仿真，定量地得到不同焊料厚度时翅片传热因子和摩擦因子的修正方法。 (4)材料为Cr12MoV的冷冲压模具在11种不同冲压次数时，分别采样锯齿型翅片，并对11组采样翅片的传热及阻力性能进行试验研究。分析模具磨损对翅片性能的影响，结果表明，随着模具冲压次数的变化，翅片传热因子和摩擦因子发生明显变化，可分为3个阶段分别对应于模具的初期磨损、正常磨损、过激磨损阶段。在模具过激磨损阶段时，翅片的传热及阻力性能急剧恶化。提出冷冲模具正常磨损阶段结束时为模具的一次刃磨寿命，Cr12MoV冲压模具推荐寿命的冲压次数为1，050,000次左右。建立冷冲模具在各磨损阶段内，摩擦因子、冲压次数和雷诺数的关系，用于修正翅片的阻力性能计算。 (5)采用金相显微镜，对不同冲压次数时的11组翅片形状的横向和纵向剖面进行观察，在模具过激磨损阶段内，冲压翅片的表面毛刺增多，表面粗糙度增大。横向剖面的观察结果表明，随着冲压次数的增加，翅片横向截面由“长方形”逐渐向“弯月形”变化。定义“面积转移因子”判断翅片横截面积的变化情况，提出翅片加工模具不同磨损阶段的判断准则。 (6)采用CFD仿真技术，利用多孔介质模型简化锯齿型错列翅片的板翅式机油冷却器的油侧芯子，仿真油冷器的换热和阻力性能。通过该型油冷器每层芯片的流量和换热量的分配规律，得到优化冷却器芯片层数的原则。结合翅片冲压模具及钎焊工艺对换热器性能的影响，采用集中参数模型，进行板翅式机油冷却器传热和阻力性能的预测。计算和试验结果的对比表明，采用试验关联式并进行相关修正的方法可以满足锯齿型错列翅片的板翅式机油冷却器性能预测的工程设计要求。 综上所述，采用试验结合仿真的研究手段，进行锯齿型翅片的基础研究为锯齿型错列翅片冷却器的自主开发提供了理论基础；而紧密结合我国加工工艺特点，则使基础研究成果更快、更有效地转化，促进我国汽车零部件行业自主品牌的建设。

目录

文摘

英文文摘

论文说明：主要符号表

声明

第一章绪论

1.1研究背景

1.2研究主要目的与意义

1.3研究现状与文献综述

1.4论文的主要工作

第二章锯齿型错列翅片传热及阻力特性的试验研究

2.1引言

2.2单层翅片单元传热及阻力性能试验台的设计

2.3试验不确定性分析

2.4锯齿型错列翅片试件

2.5锯齿型错列翅片传热及阻力性能试验数据分析

2.6锯齿型错列翅片传热及阻力试验关联式的拟合

2.7本章小结

第三章锯齿型错列翅片仿真与加工参数的容差设计

3.1引言

3.2锯齿型错列翅片的仿真

3.3翅片的参数化仿真

3.4基于质量-成本损失模型的翅片加工参数的容差设计

3.5本章小结

第四章翅片钎焊接头形态预测及其对翅片性能的影响

4.1引言

4.2不锈钢钎焊接头的成型

4.3翅片钎焊接头形态预测的数学模型

4.4翅片-基板钎焊接头的有限元分析

4.5几何参数对翅片-基板钎焊接头形态的影响

4.6钎焊接头形态对换热器翅片接触热阻的影响

4.7翅片钎焊接头形态对翅片传热及阻力性能的影响

4.8本章小结

第五章翅片冲压模具磨损对翅片性能的影响

5.1引言

5.2锯齿型错列翅片的模具磨损

5.3模具不同磨损阶段翅片性能的试验与结果分析

5.4模具不同磨损阶段翅片形状变化

5.5模具磨损阶段的评价

5.6本章小结

第六章锯齿型错列翅片板翅式机油冷却器的数值模拟及性能预测

6.1引言

6.2锯齿型错列翅片板翅式机油冷却器的数值模拟

6.3锯齿型错列翅片板翅式机油冷却器性能计算与试验验证

6.4本章小结

第七章 总结与展望

7.1主要结论

7.2创新点

7.3研究展望

参考文献

附录：翅片-基板钎焊接头形态预测的数据文件

致谢

攻读博士学位期间的研究成果及发表的学术论文