CN110543737A - 一种集成式多倍流程汽车散热器仿真及其设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种集成式多倍流程汽车散热器仿真及其设计方法，包括：根据多倍流程汽车散热器使用场景及仿真计算需要建立几何优化模型，确定入水室、入水口、冷却扁管、出水室、出水口、入水室隔板、出水室隔板几何流域尺寸参数；根据几何优化模型，计算管内流体的雷诺数，确定管内流体流动状态；根据几何优化模型及雷诺数，计算管道流体沿程压力损失系数，确定沿程压力损失计算公式；根据几何优化模型计算管道流体局部压力损失系数，确定局部压力损失计算公式；根据管道流体总压力损失计算公式，计算入水室隔板及出水室隔板高度，并使得管道流体总压力损失最小；根据设计计算的几何模型建立CFD仿真模型，并验证设计方法的可行性。

Description

一种集成式多倍流程汽车散热器仿真及其设计方法

技术领域

本发明涉及集成式多倍流程汽车散热器，尤其涉及一种集成式多倍流程汽车散热器仿真及其设计方法。

背景技术

现有汽车散热器负责循环水的冷却，它的水管和散热片多用铝材制成，铝制水管做成扁平形状，散热片带波纹状，注重散热性能，安装方向垂直于空气流动的方向，尽量做到风阻要小，冷却效率要高。冷却液在散热器芯内流动，空气在散热器芯外通过。因此散热芯体的冷却效率决定着汽车散热器工作性能效率。

目前市面上汽车散热器采用的水冷式散热系统均存在两水室上端液流量过大，两水室下端液流量过小，汽车散热器芯体上下两端液流量极度不均匀，最终导致散热器下端散热效率过低，因此十分有必要设计一款散热高效的汽车散热器。

在本发明以前的汽车散热器装置及设计方法现有技术中，有如下几篇对比专利和文献：

1)一种管带式汽车散热器(CN 110005515 A)公开了一种管带式汽车散热器装置，通过加装转动杆和扇叶装置，使得散热器本体外部的热空气快速流动，但需占用大量空间并需接电机，对汽车空间结构改装需求较高；

2)一种汽车散热器(CN 108592681 A)公开了一种汽车散热器，通过在散热芯体的散热管内壁上设置沿散热管长度方向的螺旋助片，延缓冷却液体的流动，提高冷却效率，但该发明对散热管加工工艺要求较高，加工成本较大；

3)矩形管水室汽车散热器(CN 109883220 A)公开了一种多层分流汽车散热器，将分叉结构用于散热芯体，使得分叉结构能够实现多层分布，每一层分叉结构的输入作为下一层的输出，能够减小流动阻力增加散热面积，但若某一层分叉局部结构失效则整个散热器均失效，在实际工作环境下可靠性低。

发明内容

为解决上述技术问题，本发明的目的是提供一种集成式多倍流程汽车散热器仿真及其设计方法。

本发明的目的通过以下的技术方案来实现：

一种集成式多倍流程汽车散热器仿真及其设计方法，包括：

A根据多倍流程汽车散热器使用场景及仿真计算需要建立几何优化模型，确定入水室、入水口、冷却扁管、出水室、出水口、入水室隔板、出水室隔板几何流域尺寸参数；

B根据几何优化模型，计算管内流体的雷诺数，确定管内流体流动状态；

C根据几何优化模型及雷诺数，计算管道流体沿程压力损失系数，确定沿程压力损失计算公式；

D根据几何优化模型计算管道流体局部压力损失系数，确定局部压力损失计算公式；

E根据管道流体总压力损失计算公式，计算入水室隔板及出水室隔板高度，并使得管道流体总压力损失最小；

F根据设计计算的几何模型建立CFD仿真模型，并验证设计方法的可行性。

与现有技术相比，本发明的一个或多个实施例可以具有如下优点：

根据汽车散热器几何尺寸，在左右两水室添加隔板，根据流体力学原理建立压力损失数学模型，求解出压力损失最小值时两隔板的高度，建立CFD仿真模型验证两隔板高度位置的正确性，该装置成本低廉，适应性强，实现增加流体数倍流程同时压力损失最小，能使得在冷却液带走更多的热量的同时减少压力泵的能量消耗，有效解决当前散热器芯体下端液流量过少引起的散热性能差问题。

附图说明

图1是集成式多倍流程汽车散热器仿真及其设计方法示例流程图；

图2是集成式多倍流程汽车散热器液体流动示意图；

图3是集成式多倍流程汽车散热器模型结构图；

图4是集成式多倍流程汽车散热器CFD仿真模型压力切面图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合实施例及附图对本发明作进一步详细的描述。

如图1所示，为集成式多倍流程汽车散热器仿真及其设计方法示例流程，多倍流程汽车散热器装置仿真及设计的参数包括：出水口流速V_Rout、入水室流速V_in、出水室流速V_out、1区冷却扁管流速V_1b、2区冷却扁管流速V_2b、3区冷却扁管流速V_3b、入水口雷诺数Re_Rin、出水口雷诺数Re_Rout、左水室雷诺数Re_in、右水室雷诺数Re_out、1区冷却扁管雷诺数Re_1b、2区冷却扁管雷诺数Re_2b、3区冷却扁管雷诺数Re_3b、入水口沿程压力损失系数λ_Rin、出水口沿程压力损失系数λ_Rout、1区冷却扁管沿程压力损失系数λ_1b、2区冷却扁管沿程压力损失系数λ_2b、3区冷却扁管沿程压力损失系数λ_3b、入水口与左水室连接处局部压力损失系数ξ₁、右水室与出水口连接处局部压力损失系数ξ₂、两水室与冷却扁管连接处局部压力损失系数ξ₃、流体管道总压力损失ΔP_总、流体管道沿程压力损失ΔP_L、流体管道局部压力损失ΔP_m、入水口沿程压力损失ΔP_LRin、出水口沿程压力损失ΔP_LRout、左水室沿程压力损失ΔP_Lin、右水室沿程压力损失ΔP_Lout、1区冷却扁管沿程压力损失ΔP_L1b、2区冷却扁管沿程压力损失ΔP_L2b、3区冷却扁管沿程压力损失ΔP_L3b、左水室局部压力损失ΔP_min、右水室局部压力损失ΔP_mout、1区局部压力损失ΔP_m1、2区局部压力损失ΔP_m2、3区局部压力损失ΔP_m3、入水室隔板顶面高度h₁、出水室隔板顶面高度h₂、1区内含冷却扁管数量X，2区内含冷却扁管数量Y、3区内含冷却扁管数量Z。

具体包括以下步骤：

步骤10根据多倍流程汽车散热器使用场景及仿真计算需要建立几何优化模型，确定入水室、入水口、冷却扁管、出水室、出水口、入水室隔板、出水室隔板几何流域尺寸参数；

上述步骤A中确定的具体参数包括：冷却扁管总数G为37、两冷却扁管阵列间距h_b为10mm、流体密度为ρ1000kg/m³，流体动力粘度为μ为10³Pa·S、入水口管径d_Rin为27mm、出水口管径d_Rout为27mm、入水口管长L_Rin为27mm、出水口管长L_Rout为40mm、入水室等效管径d_in为33mm、冷却扁管等效管径d_b为6mm、出水室等效管径d_out为40mm、冷却扁管长度L_b为800mm、两水室高度H为406mm、入水口流速V_Rin为2m/s、入水口与入水室折角β₁40°、两水室与冷却扁管折角β₂为90°、出水口与冷却扁管折角β₃为90°、冷却扁管上顶面最低高度h为25mm,两水室高度差ΔH为380mm。

步骤20根据几何优化模型，计算管内流体的雷诺数，确定管内流体流动状态；

代入上述步骤10中参数计算可得流速(m/s)为:

雷诺数可计算出如下:

其中，流体密度为ρ，流体动力粘度为μ、入水口流速V_Rin、出水口流速V_Rout、入水室流速V_in、出水室流速V_out、1区冷却扁管流速V_1b、2区冷却扁管流速V_2b、3区冷却扁管流速V_3b、冷却扁管等效管径d_b、出水室等效管径d_out。

步骤30根据几何优化模型及雷诺数，计算管道流体沿程压力损失系数，确定沿程压力损失计算公式；

根据上步求解的参数及已知参数可计算沿程压力损失系数如下:

则可算出各流域沿程压力损失如下：

流体管道沿程压力损失可计算出:

其中，ΔP_L1b为1区冷却扁管沿程压力损失、ΔP_L2b为2区冷却扁管沿程压力损失、ΔP_L3b为3区冷却扁管沿程压力损失、ΔP_LRout为出水口沿程压力损失、入水口沿程压力损失ΔP_LRin、流体密度为ρ、ΔP_Lin为左水室沿程压力损失、ΔP_Lout为右水室沿程压力损失、λ_Rout出水口沿程压力损失系数、λ_1b为1区冷却扁管沿程压力损失系数、λ_2b为2区冷却扁管沿程压力损失系数、λ_3b为3区冷却扁管沿程压力损失系数、入水口管长L_Rin、出水口管长L_Rout、d_Rin为入水口管径、d_Rout为出水口管径、d_in为入水室等效管径、d_out为出水室等效管径、L_b冷却扁管长度、h为冷却扁管上顶面最低高度。

步骤40根据几何优化模型计算管道流体局部压力损失系数，确定局部压力损失计算公式；

根据工程实践选表可以选出不同折管角度时的局部压力损失系数ξ

由β₁、β₂、β₃已知为40°、90°、90°，则可由选表得出局部压力损失系数如下:

ξ₁＝0.27、ξ₂＝1.12、ξ₃＝1.12

则可计算出各流域局部压力损失如下:

则可有流体管道局部压力损失可计算出如下:

其中，左水室局部压力损失ΔP_min、右水室局部压力损失ΔP_mout、1区局部压力损失ΔP_m1、2区局部压力损失ΔP_m2、3区局部压力损失ΔP_m3、流体密度为ρ、入水口与左水室连接处局部压力损失系数ξ₁、右水室与出水口连接处局部压力损失系数ξ₂、两水室与冷却扁管连接处局部压力损失系数ξ₃、流体管道局部压力损失ΔP_m。

步骤50根据管道流体总压力损失计算公式，计算入水室隔板及出水室隔板高度，并使得管道流体总压力损失最小；

可求出管道流体压力损失取极小值时：

X＝12、Y＝12、Z＝13

ΔP_总＝79728.14Pa

h₁＝H-(X-0.5)h_b-h＝266mm

h₂＝H-(X+Y-0.5)h_b-h＝146mm

其中，流体管道总压力损失ΔP_总、流体管道沿程压力损失ΔP_L、1区内含冷却扁管数量X，2区内含冷却扁管数量Y、3区内含冷却扁管数量Z、冷却扁管总数G、两冷却扁管阵列间距h_b、两水室高度H。

步骤60根据设计计算的几何模型建立CFD仿真模型，并验证设计方法的可行性。

根据仿真模型数据，入水口压力P1为126430Pa,出水口压力P2为174.95Pa,又根据ΔH＝380mm

ΔP＝(P₁-P₂)-ρgΔH＝122706Pa

其中，ΔH为入水口与出水口高度差。

如图2所示，展示了多倍流程汽车散热器流动示意图及结构，包括：入水口201、1区202、出水室203、出水室隔板204、出水口205、3区206、2区207、左水室208、左水室隔板209；

如图3所示，展示了多倍流程汽车散热器整体结构；

如图4所示，展示了CFD仿真模型压力切面图，由探针可查看入水口压力P₁＝126430Pa,出水口压力为P₂＝174.95Pa。

上述设计方法设计的汽车散热器成本低廉，适应性强，实现增加流体数倍流程同时压力损失最小，能使得在冷却液带走更多的热量的同时减少压力泵的能量消耗，有效解决当前散热器芯体下端液流量过少引起的散热性能差问题。

虽然本发明所揭露的实施方式如上，但所述的内容只是为了便于理解本发明而采用的实施方式，并非用以限定本发明。任何本发明所属技术领域内的技术人员，在不脱离本发明所揭露的精神和范围的前提下，可以在实施的形式上及细节上作任何的修改与变化，但本发明的专利保护范围，仍须以所附的权利要求书所界定的范围为准。

Claims (6)

1.一种集成式多倍流程汽车散热器仿真及其设计方法，其特征在于，所述仿真及其设计方法包括：

A 根据多倍流程汽车散热器使用场景及仿真计算需要建立几何优化模型，确定入水室、入水口、冷却扁管、出水室、出水口、入水室隔板、出水室隔板几何流域尺寸参数；

B 根据几何优化模型，计算管内流体的雷诺数，确定管内流体流动状态；

C 根据几何优化模型及雷诺数，计算管道流体沿程压力损失系数，确定沿程压力损失计算公式；

D 根据几何优化模型计算管道流体局部压力损失系数，确定局部压力损失计算公式；

E 根据管道流体总压力损失计算公式，计算入水室隔板及出水室隔板高度，并使得管道流体总压力损失最小；

F 根据设计计算的几何模型建立CFD仿真模型，并验证设计方法的可行性。

2.如权利要求1所述的集成式多倍流程汽车散热器仿真及其设计方法，其特征在于，所述步骤B中，管内流体雷诺数的计算方法及流动状态判断方法为:

若有两流体管道截面的流速和管径分别为V_x、d_x、V_y、d_y，根据管内流体流通量相等约束关系可有如下计算式：

可以计算出流体各区域流速如下：

若某单相流体流通域中，流体的密度为ρ，动力粘度为μ，流速为V，管径为d，则雷诺数计算方法为：

则各流域雷诺数可计算如下:

确定管内流体流动状态：

Re<2300时管内流体为层流流动状态；

Re>2300时管内流体为紊流流动状态；

其中，流体密度为ρ，流体动力粘度为μ、入水口流速V_Rin、出水口流速V_Rout、入水室流速V_in、出水室流速V_out、1区冷却扁管流速V_1b、2区冷却扁管流速V_2b、3区冷却扁管流速V_3b、冷却扁管等效管径d_b、出水室等效管径d_out。

3.如权利要求1所述的集成式多倍流程汽车散热器仿真及其设计方法，其特征在于，所述步骤C中，管道流体沿程压力损失计算方法如下：

根据雷诺数Re和沿程压力损失系数约束关系有如下计算公式，

则可以计算出各流域沿程压力损失系数，

其中λ_1b为1区冷却扁管雷诺数、Re_2b为2区冷却扁管雷诺数、Re_3b为3区冷却扁管雷诺数、Re_Rout为出水口雷诺数、Re_in为左水室雷诺数、Re_out为右水室雷诺数、λ_Rin为入水口沿程压力损失系数、Re_Rin为入水口雷诺数；

若有沿程压力损失系数为λ，沿程长度为L，沿程管径为d,流体密度为ρ，流速为V，根据管道流体沿程压力损失ΔP_L计算方法如下：

则可算出各流域沿程压力损失如下：

则管道沿程压力损失可以计算出如下:

其中，ΔP_L1b为1区冷却扁管沿程压力损失、ΔP_L2b为2区冷却扁管沿程压力损失、ΔP_L3b为3区冷却扁管沿程压力损失、ΔP_LRout为出水口沿程压力损失、入水口沿程压力损失ΔP_LRin、流体密度为ρ、ΔP_Lin为左水室沿程压力损失、ΔP_Lout为右水室沿程压力损失、λ_Rout出水口沿程压力损失系数、λ_1b为1区冷却扁管沿程压力损失系数、λ_2b为2区冷却扁管沿程压力损失系数、λ_3b为3区冷却扁管沿程压力损失系数、入水口管长L_Rin、出水口管长L_Rout、d_Rin为入水口管径、d_Rout为出水口管径、d_in为入水室等效管径、d_out为出水室等效管径、L_b冷却扁管长度、h为冷却扁管上顶面最低高度。

4.如权利要求1所述的集成式多倍流程汽车散热器仿真及其设计方法，其特征在于，所述步骤D中管道流体局部压力损失计算方法为：根据不同折管角度时的局部压力损失系数ξ进行计算，计算公式如下：

ΔP_m＝ΔP_min+ΔP_mout+ΔP_m1+ΔP_m2+ΔP_m3

其中，左水室局部压力损失ΔP_min、右水室局部压力损失ΔP_mout、1区局部压力损失ΔP_m1、2区局部压力损失ΔP_m2、3区局部压力损失ΔP_m3、流体密度为ρ、入水口与左水室连接处局部压力损失系数ξ₁、右水室与出水口连接处局部压力损失系数ξ₂、两水室与冷却扁管连接处局部压力损失系数ξ₃、流体管道局部压力损失ΔP_m。

5.如权利要求1所述的集成式多倍流程汽车散热器仿真及其设计方法，其特征在于，所述步骤E管道流体总压力损失的计算及入水室隔板与出水室隔板的高度方法包括：

ΔP_总(X,Y,Z)＝ΔP_L+ΔP_m

根据总压力损失为X,Y,Z的多元函数，可以根据如下约束条件：

X+Y+Z＝G Z>10,X,Y,Z∈N₊

可转化为求解多元函数极值问题，求解出ΔP_总取最小值时X，Y，Z的值；

根据X,Y,Z与两水室高度、扁管阵列距离及其扁管最低高度的约束关系可以计算出入水室隔板顶面高度h₁和出水室隔板顶面高度h₂：

h₁＝H-(X-0.5)h_b-h

h₂＝H-(X+Y-0.5)h_b-h

其中，流体管道总压力损失ΔP_总、流体管道沿程压力损失ΔP_L、1区内含冷却扁管数量X，2区内含冷却扁管数量Y、3区内含冷却扁管数量Z、冷却扁管总数G、两冷却扁管阵列间距h_b、两水室高度H。

6.如权利要求1所述的集成式多倍流程汽车散热器仿真及其设计方法，其特征在于，所述步骤F中，设计计算的几何模型建立CFD仿真模型具体包括：

根据已经设计确定的各参数建立几何模型，根据计算得出的流体状态选择层流物理场或者湍流物理场，选择水作为流体材料、选择定流量入口边界条件、定流量出口边界条件、壁边界条件，进行自由四面体网格划分，采用探针查看入水口压力P₁和出水口P₂的压力，根据如下公式求出管道压力损失ΔP与ΔP_总进行比对验证:

ΔP＝(P₁-P₂)-ρgΔH

其中，ΔH为入水口与出水口高度差。