CN111666627A - 一种散热系统设计方法 - Google Patents

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李源浩
刘洋
曹元福
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Abstract

本发明提供了一种散热系统设计方法，将风扇做功造成的冷却空气温升引入到计算风量的经验公式中来初步估算系统风量，在此风量基础上设计散热器、风道和进、排气百叶窗以及风扇散热系统部件，并搭建系统三维模型，进行CFD流场仿真计算，根据仿真计算的风量修正各系统部件的初步设计结果。本发明简化了仿真设计过程、提升了仿真精度、风量计算准确度。

Description

一种散热系统设计方法
技术领域
本发明涉及散热系统的技术领域，具体涉及一种散热系统设计方法。
背景技术
散热系统属于车辆底盘的一个重要分系统，其功用就是把发动机和传动装置等热源所发出的热量及时散发到大气环境中去，使发动机和传动装置等获得可靠和高效工作的热状态。不同类型车辆由于设计要求、安装布局和使用环境等不同，造成散热系统设计时在一些关键参数取值上也不尽相同，设计方法也各有特点。而按照车辆使用特点，研制开发适合车辆自身特点的散热系统设计方法，是散热系统设计技术领域的重要研究内容，也是散热系统精确化设计的关键技术之一。现有散热系统的仿真设计过程复杂，仿真精度、风量计算准确度有待提升。
发明内容
有鉴于此，本发明提供了一种散热系统设计方法，简化了仿真设计过程、提升了仿真精度、风量计算准确度。
本发明采用的技术方案如下：
一种散热系统设计方法，所述设计方法步骤如下：
步骤一，利用公式M＝Q/[CP*(△T1+△T2)]初步估算散热系统风量，其中M为空气流量(kg/s)；Q为换热量(kW)；CP为空气定压比热(kJ/kg℃)；△T1为热交换引起的空气温升(℃)，△T1＝0.025*Q+32.5；△T2为风扇做功引起的空气温升(℃)，△T2＝0.963*(0.1*Q)^0.4872；
步骤二，根据估算的散热系统风量、散热量、水温、环境温度进行散热器、风道和进、排气百叶窗的设计以及风扇的选型；
步骤三，根据风扇的选型结果，对风扇进行气动性能仿真，并将仿真结果与台架试验测试数据对比，在同样的风量下，当(△P2-△P1)/△P1≤±5％时，认为风扇气动性能仿真精度满足要求，进行下一步；否则修改风扇建模参数、重新划分网格、调整网格间隙和调整计算模型方法来重新进行气动性能仿真，直至风扇气动性能仿真精度满足要求；其中，△P1为台架试验测试的风扇进出口静压差，△P2为仿真计算的风扇进出口静压差；
步骤四，构建散热系统三维模型，设置边界条件，进行环境温度为35℃的CFD散热系统流场仿真计算风量；其中，散热器采用多孔介质模型；
步骤五，根据步骤四仿真计算的散热系统风量修正步骤二中散热器、风道和进、排气百叶窗的设计以及风扇的选型结果，同时根据流场计算的速度和压力可视化分布图，优化流场结构；
步骤六，根据优化后的散热系统结构，重新进行流场仿真计算，再由最新计算的风量进一步修正散热系统各个结构的设计或选型，通过多次迭代，直到满足要求。
进一步地，所述边界条件为：以风扇为基准点设置旋转坐标系，散热系统进口相对压力为0、出口绝对压力为0并给定风扇转速。
进一步地，所述步骤四中计算选用k-ε双方程湍流模型、标准壁面函数。
进一步地，所述步骤二中散热器采用热平衡台架试验数据拟合关联式进行设计计算。
有益效果：
1、本发明将传统经验设计和CFD流场仿真计算有效结合起来，提高了冷却风量计算的准确度，而且将风扇做功造成的冷却空气温升引入到经验公式中来初步估算系统风量，进一步提升计算准确度，同时根据流场计算的速度和压力可视化分布图，优化流场结构、减小系统阻力，提高系统效率，对系统中流动阻力较大部分进行减阻优化，将系统设计与系统优化有效结合起来，为车辆散热系统设计提供了新的方法和思路，从而可以大幅提高散热系统的开发进程；
其次，本发明在搭建系统模型前，首先对风扇气动性能进行仿真校核，即将仿真结果与台架试验测试数据对比，当其误差不大于5％时方可进行系统仿真计算，保证了系统仿真的精度。
2、本发明设定的边界条件及计算函数、模型能够得到仿真的有效结果。
3、本发明进行环境温度为35℃的CFD散热系统流场仿真计算，结合散热器热平衡台架试验数据进行散热器的热设计，极大简化了仿真计算的复杂度，同时提高了整个散热系统的准确度。
附图说明
图1为散热系统设计方法流程图；
图2为散热系统结构示意图；
其中，1-进气百叶窗，2-排气百叶窗，3-散热器，4-风道，5-风扇。
具体实施方式
下面结合附图并举实施例，对本发明进行详细描述。
本发明提供了一种散热系统设计方法，如图1所示，散热系统设计方法具体步骤如下：
步骤一，根据给定的散热系统设计参数如换热量Q等，进行散热系统方案规划，散热系统设计主要包括对散热器3、风道4、进气百叶窗1、排气百叶窗2以及风扇5的设计，如图2所示，并按照公式M＝Q/[CP*(△T1+△T2)]初步估算散热系统风量，其中：
M为空气流量(kg/s)；
Q为换热量(kW)；
CP为空气定压比热(kJ/kg℃)；
△T1为热交换引起的空气温升(℃)，△T1＝0.025*Q+32.5；
△T2为风扇做功引起的空气温升(℃)，△T2＝0.963*(0.1*Q)^0.4872。
步骤二，由估算的空气流量M、散热量、水温、环境温度，结合散热器3热平衡台架试验数据拟合关联式进行散热器3的热设计，同时进行风道4、进气百叶窗1、排气百叶窗2的设计以及风扇5的选型。
步骤三，根据风扇5选型结果，对风扇5气动性能进行仿真校核，即将仿真结果与台架试验测试数据对比，在同样的风量下，风扇5进出口静压差(△P2-△P1)/△P1≤±5％时，认为风扇5气动性能仿真精度满足要求，进行下一步散热系统的仿真计算；否则通过修改风扇5的建模参数、重新划分网格、调整网格间隙和调整计算模型方法来重新进行气动性能仿真，直至风扇5的气动性能仿真精度满足要求；其中△P1为台架试验测试的风扇进出口静压差，△P2为仿真计算的风扇进出口静压差。
步骤四，构建散热系统三维模型，设置边界条件，进行环境温度为35℃的CFD散热系统流场仿真计算散热系统风量；其中，风扇、进气百叶窗1、排气百叶窗2、风道4采用实体模型，散热器3采用多孔介质模型；以风扇5为基准点设置旋转坐标系，散热系统进口相对压力为0、出口绝对压力为0并给定风扇5转速；计算选用k-ε双方程湍流模型、标准壁面函数。
步骤五，根据步骤四仿真计算的散热系统风量修正步骤二中散热器3、风道4、进气百叶窗1、排气百叶窗2的设计以及风扇5的选型结果，同时根据流场计算的速度和压力可视化分布图，优化流场结构。
步骤六，根据优化后的散热系统结构，重新进行流场仿真计算，再由最新计算的风量进一步修正散热系统各个结构的设计或选型，通过多次迭代，直到得到一个满意结果为止。
综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种散热系统设计方法，其特征在于，所述设计方法步骤如下：
步骤一，利用公式M＝Q/[CP*(△T1+△T2)]初步估算散热系统风量，其中M为空气流量(kg/s)；Q为换热量(kW)；CP为空气定压比热(kJ/kg℃)；△T1为热交换引起的空气温升(℃)，△T1＝0.025*Q+32.5；△T2为风扇做功引起的空气温升(℃)，△T2＝0.963*(0.1*Q)^0.4872；
步骤二，根据估算的散热系统风量、散热量、水温、环境温度进行散热器、风道和进、排气百叶窗的设计以及风扇的选型；
步骤三，根据风扇的选型结果，对风扇进行气动性能仿真，并将仿真结果与台架试验测试数据对比，在同样的风量下，当(△P2-△P1)/△P1≤±5％时，认为风扇气动性能仿真精度满足要求，进行下一步；否则修改风扇建模参数、重新划分网格、调整网格间隙和调整计算模型方法来重新进行气动性能仿真，直至风扇气动性能仿真精度满足要求；其中，△P1为台架试验测试的风扇进出口静压差，△P2为仿真计算的风扇进出口静压差；
步骤四，构建散热系统三维模型，设置边界条件，进行环境温度为35℃的CFD散热系统流场仿真计算风量；其中，散热器采用多孔介质模型；
步骤五，根据步骤四仿真计算的散热系统风量修正步骤二中散热器、风道和进、排气百叶窗的设计以及风扇的选型结果，同时根据流场计算的速度和压力可视化分布图，优化流场结构；
步骤六，根据优化后的散热系统结构，重新进行流场仿真计算，再由最新计算的风量进一步修正散热系统各个结构的设计或选型，通过多次迭代，直到满足要求。
2.如权利要求1所述的散热系统设计方法，其特征在于，所述边界条件为：以风扇为基准点设置旋转坐标系，散热系统进口相对压力为0、出口绝对压力为0并给定风扇转速。
3.如权利要求1所述的散热系统设计方法，其特征在于，所述步骤四中计算选用k-ε双方程湍流模型、标准壁面函数。
4.如权利要求1所述的散热系统设计方法，其特征在于，所述步骤二中散热器采用热平衡台架试验数据拟合关联式进行设计计算。
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