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原文传递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

论文题名：	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
关键词：	汽车发动机;管带式散热器;传热性能;流动阻力;风洞试验;优化设计
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。
作者：	叶斌
专业：	机械设计及理论
导师：	赵韩
授予学位：	博士
授予学位单位：	合肥工业大学
学位年度：	2014
正文语种：	中文