管带式汽车散热器流动阻力与传热性能分析

摘 要：管带式汽车散热器流动阻力与传热性能分析采用理论分析方法，通过编制流动阻力与传热性能计算程序，得到常规工况范围内的计算数据。在计算数据中，有散热器结构参数，也有流动阻力与传热性能参数，通过分析散热器结构参数对流动阻力与散热性能的影响，最终得到的结论是：散热量随着散热带波距的减小而增加，风阻随之增大。散热带的材料不同，散热性能也不同，散热量随着散热带导热系数的提高而增大。

关键词：散热器；流动阻力；传热性能

中图分类号：U464.138 文献标识码：A 文章编号：1004-7344（2018）29-0289-02

散热器是汽车冷却系统中的重要部件，其作用是冷却发动机系统，提升发动机的经济性和可靠性。经过对内部流动结构和阻力特性的系统研究，发现目前国内散热器产品中，采用管带式散热器的内部流动结构的设计方式，能够改善产品的结构，使得产品向着高效、低耗、轻量化的方向发展。

在国内一些汽车散热器厂家中，散热器的应用和设计都是随着当地的气候环境和特殊地理环境而进行的。在夏天散热量不够，发动机开锅的情况也是时有发生。因此，为了在给定的装配边界尺寸基础上，提高散热器的散热能力，应对管带式散热器进行流动阻力与传热性能进行研究。通过编制的计算程序，将散热器的结构参数和散热带的材质进行方案设定，目的是运用计算机实现散热器结构的程序化设计，提高设计的准确性，最终为产品的改善提供理论依据[1]。

1 理论计算值和试验数值

以理论模型为基础的计算，我们编制了散热器的流动阻力和传热性能的计算程序，对汽车散热器的散热量和风阻进行了相应的测量，得到了汽车散热器的主要结构尺寸。

在常见的工况范围内随着风速的增加，散热器进口的水温为90℃，风温为30℃，冷却水的流量分别是40L/min和75L/min，比较散热器传热性能值和实测值之后我们发现，实测值和理论值是基本吻合的。高风速的区域的误差较大，实测值经过和理论数值的比较之后，偏差增大，这是由于风阻理论中的计算公式，在高风速区的理论数值偏低，没有计算散热器的芯片中的局部阻力，而是计算了散热器的芯片内部的阻力，实测的数值和理论的数值是基本吻合的[2]。

2 散热带的结构参数对散热器的影响

采用编制的计算程序，对于不通的散热带结构进行风阻和传热特性的计算，对各个结构参数的影响加以讨论。

（1）在其他参数不变的前提下，对不同的散热带波距进行传热性能和风阻的理论计算。散热量随着散热带波距的减小而增加，风阻随之增大，芯体重量随之增大。

（2）随着百叶窗开窗角度的不断增加，散热器的风阻和散热量也不断增加，散热量的增加幅度相对減少[3]。

（3）在厚度的变化范围内，随着散热器的散热量和风阻的不断增加，开窗的角度也不断的增加，当散热带的材质为纯铜时，散热带的波距为3.6mm，导热系数为398W/m2·K，随着百叶窗厚度增大，散热量不同，散热器的风阻和散热量也随之增加[4]。冷却水的流量为40L/min，此时散热器的散热量，百叶窗的开窗角度为30°，应该显示为空气流速和风阻，散热带的材质在散热性能的影响上，纯铜的散热量较高，散热带的材料的导热系统，纯铜的散热带发生了提高，产生了相应的风测换热性能，散热带的厚度发生变化，整台的散热器的散热量增大。

3 管带式汽车散热器的传热性能分析

汽车散热器是发动机冷却系统的重要部件，主要由主片、冷却管、散热带、护板、水室、密封条、等零件组成。散热器主片与冷却管按一定间隙（<0.1mm）相互配合后，同时经过620℃左右的高温，熔化材料表面焊料，焊接密封，最后与水室通过密封条密封组装，组成一个封闭的散热器系统。散热量结构参数中主片是汽车散热器的关键连接部件，生产成本低，其结构设计的合理性，直接影响散热器的成形质量，影响散热器可靠性。

通常芯子正面面积Ff是对散热性能影响最大的，厂家希望在安装尺寸允许的前提下，按影响的大小各参数排列次序：芯厚-散热面积S与正面面积Ff-散热带（片）形状-冷却水管尺寸。在诸多结构参数中的大小次序是：结构型式-主片与水室结构参数-冷却水管-系统压力大小-生产工艺水平。在设计或选用现有散热器时，结合不同车型和使用工况的区别，切不可盲目追求单项指标，全面综合分析结构型式、参数、系统压力值大小、生产工艺水平对散热器的相互影响，充分考虑生产工艺及装备、生产成本，之后再确定其他各参数。散热器的发展趋势之一就是大幅度地提高散热能力。在首先确定结构型式，扩大正面面积Ff并减少芯厚。尽可能把正面面积Ff选择大一些。

从统计数据得知，风阻减小，散热面积基本不变情况，如果正面面积Ff增大17%，风温提高5℃。同时，管片式汽车散热器的主片呈平行设置，散热能力增加11%，增大通过散热器芯体的风量，所述板状本体有若干数量，呈波纹状设置，散热器设计过程中所述板状本体上设置，在其他部件不变的前提下；包括呈矩形设置的板状本体，来估算芯子正面面积Ff。所述板状本体用于连接散热器扁管的条形孔，四周设置条形孔，板状本体一侧凸起周壁，所述板状本体的波纹常采用计算法加以计算，计算结果如下：

Ff≥0.1+0.032Vn（1）

式中：Ff——芯子正面面积单位为m2；

Vn——发动机排量。

Ff=（0.0027～0.0034）Nemax（2）

式中：Nemax——发动机标定功率，kW；

Nemax<73.5kW取上限，Nemax>73.5kW取下限。对管片式结构的散热器在求得Qmax之后，参考JB2291-2292-78附录的数据，按初步选择的芯厚T和片距t，依据公式（1）进行估算：

Ff=Fn·Qmax/Qn（m2）（3）

因为Fn为1m2，因此公式（1）也可以简化成：

Ff=Qmax/Qn（m2）（4）

芯子面面积为1m2时两种冷却水管排列方式；四排冷却水管，散热带（片）形状可以提高散热系数K值，实现在不增加生产成本和不增大空间尺寸的前提下提高热能力。

4 结 语

本文采用计算机程序计算得到的汽车散热器的传热和风阻性能的数值，与实测值，与常规的工况范围是基本吻合的。散热带的波距，经过对散热器的性能的参数的比较，发现改变散热带材质之后，例如纯铜，散热器的重量将保持不变。

参考文献

[1]熊呈辉，缪屹峰.管芯式散热器结构特点[J].南方金属，2017（5）：55～57.

[2]张云龙.平行流汽车空调散热器用铝合金多孔扁管材的研究[J].时代农机，2016（2）：54，56.

[3]胡书红.基于热分析的LED汽车前照灯结构设计及优化[D].中国计量学院，2013.

[4]成都东浩散热器有限公司.一种汽车发动机的散热装置：中国，CN201710382335.8[P].2017-09-01.

收稿日期：2018-8-22

作者简介：方建府（1989-），男，壮族，广西武鸣人，助理工程师，本科，主要从事换热系统设计工作。

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