基于试验的汽车管带式散热器传热与流阻建模及其优化设计研究

摘要

车辆散热器是汽车发动机冷却系统的重要部件之一，它的调节能力直接影响发动机的动力性，经济性和可靠性。在保证散热器具有足够强的散热能力条件下，体积更小，重量更轻，散热效率更高成为散热器设计时追求的目标。在高效紧凑的冷却系统的开发过程中，散热器的设计优化是重要的研究内容。本文采用试验与理论分析相结合的方法和手段，对管带式散热器的设计、校核、优化和参数化以及冷却液的性能进行了较为深入与系统的研究，旨在为管带式散热器的理论计算和设计提供一种高效和准确的指导手段。本文的主要研究内容包括:
　　(1)利用风洞试验技术，研究了采用水作为冷却液的三种型号的散热器分别在20个工况点时的散热量、风侧阻力、水侧阻力以及出气温度和出液温度。对试验结果的分析表明:管带式散热器的水侧散热量和气侧散热量，都随风速或水流量的提高而增加，反之则减少。散热量沿着风速方向变化的幅度要大于沿着水流量方向的幅度。散热器风阻的大小几乎完全由风速来决定，风速增加，则风阻增大，反之，风速减小，风阻也随之减小。对于同一风速，水流量变化时，风阻几乎不受影响。散热器水侧阻力的大小几乎全部取决于散热器水流量的大小，水流量越大，水侧阻力越大，反之，水侧阻力越小。在水流量相同的情况下，散热器空气侧风速对于散热器水侧阻力几乎没有影响。
　　(2)根据理论分析和风洞试验系统得到的试验数据，通过多重线性回归法，建立了管带式散热器传热与流动阻力预测模型，得到了适用于厂家的传热和流动阻力的通用关联式（传热因子J、摩擦因子f与雷诺数的关联式）。并将此模型应用于计算软件中，经过仿真计算发现，仿真计算的结果与试验值的偏差大大减少，准确性极大的提高。将此预测模型公式应用于本厂家生产的散热器的理论计算是可行的。
　　(3)在建立传热与流阻模型的过程中，是以水作为冷却液来进行研究，而实际使用时冷却液一般是由水和防冻剂组成，为更加深入了解添加了防冻剂的冷却液的性能，本文在自行改建的风洞试验台上对乙二醇型冷却液和丙二醇型冷却液进行了试验研究。试验结果表明:与纯水作为冷却液相比，丙二醇型冷却液和乙二醇型冷却液的散热量会降低，水侧流动阻力会增加，气侧流动阻力基本一致。同时应用自建的传热与流动阻力模型对其进行仿真研究。研究结果表明，软件仿真计算的结果与试验结果基本一致，说明自建模型同样适用于其他类型的冷却液。
　　(4)为了缩短汽车散热器生产厂家的设计周期、提高散热器设计效率，本文采用VB6.0编制出管带式散热器设计和校核计算的软件。并且利用遗传算法不受搜索空间的限制性假设的约束，也不要求目标函数的连续、可微和单峰等条件等优点，在考虑到散热器本身特点的前提下对遗传算法进行改进，并将改进后的遗传算法应用于管带式散热器的优化设计。在满足传热和流动阻力的要求下，提出了散热器芯体结构参数优化的方案，以达到减少散热面积和耗材的目的。为了提高设计出图的效率，本文还利用三维绘图软件为设计平台，用VB语言对散热器进行参数化设计。最终形成了管带式散热器集设计、校核、优化以及参数化为一体的软件。

目录

声明

致谢

摘要

第一章 绪论

1．1 汽车散热器概述

1．2 汽车散热器国内外研究概况

1．3 冷却液研究现状

1．4 逮传算法

1．4．1 遗传算法概念

1．4．2 遗传算法的步骤

1．4．3 遗传算法的特点

1．4．4 改进遗传算法

1．5 参数化设计

1．6 课题来源、研究意义与主要内容

1．6．1 课题的来源

1．6．2 课题研究的意义

1．6．3 课题主要研究内容

第二章 散热器传热与流动阻力特性的风洞试验研究

2．1 试验测量方法

2．1．1 温度测量

2．1．2 压力测量

2．1．3 流量测量

2．2 散热器风洞试验系统

2．2．1 冷却空气系统

2．2．2 水循环系统

2．2．3 试验台测控系统

2．2．4 风洞试验系统的主要性能指标以及测量数据

2．3 散热器风洞试验过程

2．3．1 试验对象

2．3．2 试验方案

2．3．3 试验步骤

2．4 水作为冷却液的风洞试验结果与分析

2．4．1 风洞试验结果

2．4．2 不同工况下散热器散热性能特性分析

2．4．3 散热器不同工况下风侧流动阻力特性分析

2．4．4 散热器不同工况下的水侧流动阻力特性分析

2．5 添加防冻剂的冷却液散热器风洞试验结果与分析

2．5．1 风洞试验结果

2．5．2 结果分析

2．6 不同冷却液的散热器风洞试验结果对比

2．7 本章小节

第三章 管带式散热器传热与阻力分析以及预测模型的建立

3．1 对流换热基本理论

3．1．1 热传导

3．1．2 热对流

3．2 管带式散热器的传热以及阻力分析

3．2．1 芯体部分几何参数的计算

3．2．2 对数平均温差Δtm

3．2．3 翅片效率ηf与翅片表面总效率η0的计算

3．2．4 物性参数

3．3 散热器传热性能数学模型

3．3．1 散热器散热量数学模型

3．3．2 传热系数K的数学模型

3．4 管带式散热器阻力与传热特性预测模型的建立

3．4．1 采用已有关联式计算结果分析

3．4．2 传热与阻力流动特性预测模型的建立

3．5 自建模型预测值与试验值的对比

3．6 本章小结

第四章 冷却液性能分析研究

4．1 冷却液

4．2 防冻剂

4．3 常用抗冻剂水溶液冰点和沸点对比

4．3．1 常用抗冻剂水溶液冰点对比

4．3．2 常用抗冻剂水溶液沸点对比

4．4 常用抗冻剂冷却液的仿真计算

4．4．1 乙二醇水溶液冷却液的仿真计算

4．4．2 丙二醇水溶液冷却液的仿真计算

4．5 本章小结

第五章 管带式散热器数学模型和参数化设计

5．1 管带式散热器数学模型

5．1．1 水侧模型

5．1．2 空气侧模型

5．1．3 翅片管模型

5．2 管带式散热器参数化设计的总体结构

5．3 参数化设计技术以及CAD二次开发技术

5．3．1 参数化设计技术

5．3．2 CAD的二次开发技术研究

5．4 管带式散热器零件参数化设计

5．4．1 变量化建模设计过程

5．4．2 变量表

5．4．3 管带式散热器零部件参数化设计的实现

5．4．4 散热器芯体零件的结构分析

5．4．5 管带式散热器零件之间结构尺寸的关联性分析

5．5 自动装配技术

5．6 参数化工程图的设计

5．7 参数化设计实例

5．8 本章小结

第六章 基于遗传算法的汽车管带式散热器优化设计与软件的开发应用

6．1 遗传算法

6．1．1 基本遗传算法

6．1．2 改进遗传算法

6．1．3 本文采用的改进遗传算法

6．2 管带式散热器热力计算

6．2．1 对数平均温差法(LMTD法)

6．2．2 效能-单元数法(ε-NTU法)

6．3 软件设计与校核计算部分的开发与应用

6．3．1 管带式散热器的设计计算程序

6．3．2 管带式散热器的校核计算程序

6．3．3 管带式散热器设计与校核部分软件介绍

6．4 软件优化设计部分的开发应用

6．4．1 应用改进遗传算法的管带式散热器优化模型的建立

6．4．2 优化程序界面

6．4．3 软件优化部分应用实例

6．5 软件参数化设计部分的开发应用

6．5．1 参数化设计系统的总体框架和工作流程

6．5．2 参数化设计模块界面设计

6．6 本章小结

第七章 全文工作总结与今后工作展望

7．1 工作总结

7．2 创新点

7．3 今后工作展望

参考文献

攻读博士学位期间的学术活动及成果情况