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原文传递基于场协同原理的车用冷却系统流动传热耦合分析与结构优化

论文题名：	基于场协同原理的车用冷却系统流动传热耦合分析与结构优化
关键词：	汽车发动机;热交换器;流动传热;传热传质学
摘要：	汽车冷却系统是保障车辆稳定运行的重要辅助系统，对节能减排具有直接影响。在当前环境下，随高密度、大功率发动机的出现以及众多新技术、新系统在汽车上的应用，车辆散热环境日趋恶劣，对冷却系统的体积、重量、工作效率等也提出了新的需求。而各热交换器组件的性能优化是实现冷却系统整体优化设计的基础。如何在不借助辅助设备，不改变使用条件并合理控制阻力能耗的前提下，实现流动传热过程的优化，是现代汽车冷却系统设计和研究的核心问题。　　本文以强化传热的场协同原理为理论依托，以计算流体力学(CFD)方法为主要研究手段，与风洞实验技术相结合，对车用冷却系统从单元到组合模块，从局部到整场，从微观到宏观的流动传热特性分别进行研究。主要研究内容包括：⑴对车用冷却系统的局部换热单元、单个热交换器、热交换器组件以及热交换器与风扇组合分别建立CFD三维仿真模型，研究换热过程的流动传热特性。⑵采用多尺度耦合法对单个热交换器进行微观分析和整体仿真。⑶利用风洞实验平台，采集实验数据以验证仿真模型的有效性。⑷根据实际工作时可能遇到的状况对原始模型和边界条件进行调整，分析冷热介质流动不均匀性对单元换热过程的影响。⑸研究单个热交换器内外侧的流动特性，分析结构、冷却介质分布规律等因素对整体换热效果的影响，提出可行的结构优化方案。⑹分析两相邻热交换器之间的相对位置、距离以及热介质流动方式对组合模块换热过程的影响。⑺研究吸气式风扇驱动时空气的流动特性。将热交换器和风扇进行组合，比较不同风扇配置方案对热交换器换热效果的影响。⑻结合热交换器中的场协同原理，对以上研究结果进行印证和解释，设计相应的强化传热方法或结构优化方案。　　本研究发现：对以空气(气体)为冷热介质的换热过程，如果在计算时考虑介质的物性变化，与常物性并参照入口温度设置物性参数的仿真模型相比，会使冷热侧温差略为降低，冷空气压降略有增加，而热空气的压降明显减少；对局部单元的换热，如果热介质流速分布不均匀，尤其是热介质流速沿冷却介质流动方向降低时，会使单元换热能力降低。如果冷却介质的温度分布沿热介质流向降低，冷热介质温度场协同性相对更好，能适当提高换热效果，反之则使换热效果变差；如果冷却介质的流速沿热介质流动方向升高，流速升高导致温度降低，也能改善冷热介质温度场的协同性，使换热效果略好，反之则换热较差；对单个热交换器，如果采用多尺度耦合分析方法对热交换器进行详解，能显著提高计算精度，但操作过程较为复杂。在车用热交换器中，热介质在各通道的不均匀分布是降低整体工作效率的一个主要因素。因此，改良热交换器结构，使热介质在各通道分布更均匀，是有效的优化方向。此外，增大热交换器低温区的冷却介质流量，能降低低温区冷却介质的温度，改善冷热流体温度场的协同性，实现强化换热的目的；对相邻热交换器组合模块，在不考虑热辐射因素时，变换芯部上下的相对位置会对换热有轻微的影响，而当芯部距离达到一定范围且四周密封时，再增大芯部间距也并不会影响前后热交换器的换热效果。改变上游热交换器热介质流动方向，使热通道中的流量和温度分配更均匀，能显著提高该热交换器的换热效率，但由于冷却风在流经该热交换器后的温升更高，将导致下游热交换器的换热效果变差；在吸气式风扇的驱动下，风扇上游速度分布并不均匀，叶片尤其是叶尖正前方的来流速度较高，轴心和边角处速度较低。将热交换器及风扇区域密封，对提高风扇的工作效率十分关键。对典型的乘用车水散热器，采用一个较大风扇和两个小风扇的组合，和传统风扇配置方案相比，在静压(总和)相等的情况下，能实现更好的换热效果。
作者：	黄钰期
专业：	车辆工程
导师：	俞小莉
授予学位：	博士
授予学位单位：	浙江大学
学位年度：	2010
正文语种：	中文