7管带式散热器翅片振动传热仿真研究

收稿日期：２０１３‐０６‐１８；修回日期：２０１３‐０９‐２１ 基金项目：山东省科技发展规划项目（２００９ＧＧ２ＧＣ０４０１６，２０１１ＧＧＸ１０３１０）；山东省高等教育科技项目（Ｊ１１ＬＤ１４） 作者简介：程宏伟（１９８８—），男，硕士，主要研究方向为散热器强化传热；ｃｈｗ＿８８０１６９＠１６３．ｃｏｍ。

通讯作者：杨学锋（１９７７—），男，副教授，研究生导师，主要研究方向为汽车散热器快速设计以及传热与强化传热；ｗｓｈｙｔｚｈ＠１６３．ｃｏｍ。

管带式散热器翅片振动传热仿真研究程宏伟１，杨学锋２，３，邓建新１，冯振山２，李　磊２，谷才宝２（１．山东大学机械工程学院，山东济南　２５００６１；２．山东同创汽车散热装置股份有限公司，山东泰安　２７１４００；３．济南大学机械工程学院，山东济南　２５００２２） 摘要：借助Ｆｌｕｅｎｔ动网格技术模拟振动时翅片附近流场与温度场分布，分析了入口风速及振动参数对空气流动与温度场特性的影响，进而讨论了翅片振动强化传热的规律和机理。

结果表明：振动能对流场产生扰动，促使气流沿百叶窗通道流动，并有利于翅片间干扰型热尾迹的形成，从而减薄流动和传热边界层，改善传热性能；而强化传热效果与振动速度正相关，频率的影响大于振幅，随着风速的增大，其效果先增后减。

关键词：散热器；振动传热；百叶窗；翅片；动网格；热流密度ＤＯＩ：１０．３９６９／ｊ．ｉｓｓｎ．１００１‐２２２２．２０１３．０５．０１２中图分类号：ＴＫ４１４．２１２ 文献标志码：Ｂ 文章编号：１００１‐２２２２（２０１３）０５‐００５７‐０４ 管带式散热器因具有结构简单、散热效率高和制造成本低等特点被广泛用于车辆冷却系中，是水冷式冷却系统的重要装置［１］。

散热器中百叶窗翅片结构不仅增加了空气与扁管的换热时间，而且起到二次传热的作用，对散热影响甚大，国内外许多学者对此有大量研究，其中仿真研究由于节约费用、操作便捷等优势发展迅速。

Ｏｌｉｅｔ讨论了翅片参数对传热的影响［２］；Ａｔｋｉｎｓｏｎ和Ｐｅｒｒｏｔｉｎ的研究表明３Ｄ模型比２Ｄ模型具有更高的精度［３‐４］；ＤｅＪｏｎｇ指出当空气沿百叶窗通道流动时，翅片换热效果较好，流动与Ｒｅ有关［５］；Ｚｈａｎｇ对百叶窗翅片热尾迹进行分类，指出当上游百叶窗热尾迹干扰到相邻翅片下游百叶窗时传热较好［６］。

然而现有的翅片百叶窗结构已经充分优化，很难通过改变参数大幅度提高散热性能，因此必须寻求新的思路。

振动强化传热技术一直备受关注，散热器实际工作的振动环境为这项技术的应用提供了较大可能。

因此，对散热器进行振动传热研究，进而利用这项技术实现强化传热，对企业节能降耗和提高经济效益意义深远。

管带式散热器芯体是通过钎焊将扁管和散热带连在一起，并由上、下主片和护板定位形成；而散热器通过侧板或凸起与汽车悬架连接，为了减振，在连接处会放置弹性垫圈，当汽车正常行驶时，路面不平和发动机运转会引起汽车振动，此时整个散热器也会跟随汽车作受迫振动，如果能改变散热器与汽车的连接方式（弹簧或其他弹性装置），使散热器原有的振动增大，即可实现增强散热的效果。

散热器的振动可以是空间３个方向上的，而其热阻主要来源于气侧，且翅片在气侧传热起主要作用，因此，本研究仅讨论垂直于翅片方向的振动对其传热性能的影响，此时扁管的振动方向与管内流体流向平行，振动对其两侧换热影响不大，文中不作讨论。

百叶窗翅片是散热器的重要结构，流动和传热特性复杂，对传热效率影响较大，通过仿真探讨振动对其散热性能的影响规律，可以为进一步研究散热器强化传热提供重要依据。

１　计算模型建立了翅片二维仿真模型，借助ＵＤＦ功能实现壁面振动，计算区域及边界条件见图１。

区域左侧壁面为速度入口边界，速度为ｕ，来流温度为３００Ｋ；右侧壁面为压力出口边界，ｐ＝０；３个翅片为运动壁面，与流体进行对流换热，采用第一类换热边界，温度为３５８Ｋ，速度规律为ｖ＝２πｆＡｃｏｓ（２πｆｔ）。

（１）式中：Ａ为振幅；ｆ为频率。

入口风速ｕ决定计算区域流动特点，为了研究层流时的振动传热，并考虑计算机的运算能力和准第５期（总第２０８期）２０１３年１０月车　用　发　动　机ＶＥＨＩＣＬＥＥＮＧＩＮＥＮｏ．５（ＳｅｒｉａｌＮｏ．２０８）Ｏｃｔ．２０１３确性，ｕ值取为２，３．５，５，６．５，８，９．５ｍ／ｓ；汽车行驶时散热器作随机振动，其振动频率难以确定，ＱＣ／Ｔ　４６８—２０１０等有关标准规定，散热器耐振动性能试验中频率为２０Ｈｚ（乘用车）或２３Ｈｚ（商用车），而汽车通常作低频受迫振动［７］，由此选取仿真频率ｆ为１，５，１０，２０Ｈｚ；对于振幅的选择，主要考虑散热器的安装空间限制，同时也兼顾仿真的计算量，最后选取Ａ的值为１，２，４，６ｍｍ。

图１　计算区域及边界条件 由于仿真中使用了动网格技术，网格划分单元选取为三角形，并对翅片附近及运动区域进行了较密的网格划分，通过网格无关性检查确定翅片附近网格大小，风速ｕ为２～５ｍ／ｓ时，网格为０．１ｍｍ；风速ｕ为６．５～９．５ｍ／ｓ时，网格为０．０４ｍｍ。

计算采用层流模型，求解器选为非稳态隐式法，压力速度耦合采用ＳＩＭＰＬＥＣ算法，速度和能量方程离散采用ＱＵＩＣＫ格式。

２　结果及分析２．１　流场和流动特点由图２可以看出，翅片无振动和振动速度ｖ＝０．１３ｍ／ｓ时气流主要沿翅片间通道流动，而较少沿百叶窗流动。

百叶窗附近边界层较厚，阻塞了百叶窗通道，从而阻止气流流动，不利于翅片的对流换热。

上述情况在第２组百叶窗上反映得更加明显，这是由于空气阻力减缓了翅片后半程通道的气流流速。

当振动速度ｖ＝０．５ｍ／ｓ时，百叶窗边界层减薄，通道流速增大，百叶窗分流作用逐渐体现，特别是第２组百叶窗，其流动状态变化明显，整个翅片区域流速增大，对散热有非常积极的作用。

由图３可以看出，相对于无振动，翅片振动时空气沿百叶窗流动的比例增加，翅片及百叶窗附近边界层变薄，但这种差异没有图２中的差异明显，而且ｖ＝０．５ｍ／ｓ与ｖ＝０．１３ｍ／ｓ（图３ｂ）时的流场差异也是如此，这说明当风速增大时，振动对流场的扰动会减弱。

图２　风速ｕ为２ｍ／ｓ时速度场分布图３　风速ｕ为９．５ｍ／ｓ时速度场分布 对比图２和图３可以发现，振动能对空气形成扰动，阻碍边界层的生长，改变气流方向，而扰动的剧烈程度与翅片振动速度和风速有关，即随振动速度增大和风速减小而增大。

为了更加直观地反映振动对百叶窗翅片结构中流动的影响，可用绘制流体粒子迹线的方法来形象描述。

在翅片２上临近第１个百叶窗的位置，取垂直方向半径为０．１ｍｍ范围内的２５个点绘制迹线。

图４和图５示出了风速为２ｍ／ｓ和９．５ｍ／ｓ时不同振动条件下的迹线。

由图可以看出，风速为２ｍ／ｓ时，振动条件下粒子沿翅片方向（ｘ轴正向）的流动距离变短，在未完全穿过翅片区域时就撞击到翅片或百叶窗上，即粒子的流动线路发生很大的变动，使流向百叶窗通道的粒子增加，而振动速度ｖ＝０．５ｍ／ｓ时，这种改变更加明显，粒子在第１组百叶窗之前就全部改变了流向，从而造成了迹线的中断。

当风速为９．５ｍ／ｓ时，振动虽然也能改变粒子流向，但作用减弱，粒子沿翅片方向的流动距离变长，但ｖ＝０．５ｍ／ｓ时依然可以发现大部分粒子会提前撞上翅片，只有少数粒子穿出；相对于ｕ＝２ｍ／ｓ而言，ｕ＝９．５ｍ／ｓ时有较多的粒子穿过第２组百叶窗，并发生偏转。

・８５・ 车　用　发　动　机 ２０１３年第５期图４　风速ｕ为２ｍ／ｓ时的迹线图５　风速ｕ为９．５ｍ／ｓ时的迹线 通过粒子的迹线规律可以发现，振动确实能改变翅片通道中粒子的运动轨迹，使粒子更多地撞击到百叶窗上或沿百叶窗通道流动，从而减薄了边界层，且迹线随振动速度和入口风速的变化规律与图２和图３中流场的变化规律一致。

２．２　温度场图６示出了风速为２ｍ／ｓ时不同振动参数下的温度场分布。

由图可以看出，当无振动和振动速度较小时，第１组百叶窗中温度分布增长较快，迅速接近翅片温度，而第２组百叶窗的空气平均温度很高，导致翅片达到热饱和而使传热性能恶化，此时翅片更多地扮演了增大流动阻力的角色。

当振动速度较高时，翅片后半程气流平均温度明显降低，传热性能得到一定改善。

Ｚｈａｎｇ提出用热尾迹特点来评判传热的优劣［６］，热尾迹分为两种：一种为翅片内干扰型，指上游百叶窗热尾迹对同一翅片上的下游百叶窗形成干扰，这种特点的热尾迹传热效果较差；另一种为翅片间干扰型热尾迹，指上游百叶窗热尾迹对相邻翅片的下游百叶窗形成干扰，这时传热较好。

对比图６中翅片２的第１组百叶窗热尾迹可以看出，无振动时热尾迹为翅片内干扰型，振动速度大时热尾迹为翅片间干扰型。

图７示出了风速为９．５ｍ／ｓ时的温度场。

与图６相比，图７所示翅片区域平均温度大幅降低，百叶窗散热效果显著提升，振动与无振动相比温度场变化不明显。

观察热尾迹可以发现，第１组百叶窗为典型的翅片间干扰型，第２组百叶窗虽然为翅片内干扰型，但当上游热尾迹到达下游百叶窗时已变淡变弱，对散热影响相对较小。

图６　风速ｕ为２ｍ／ｓ时温度场分布图７　风速ｕ为９．５ｍ／ｓ时温度场分布 由上述分析可以发现，低风速下，振动能降低空气平均温度，帮助形成利于散热的热尾迹类型，有效改善传热条件，振动速度大时效果明显；高风速时，百叶窗的传热环境显著改善，此时振动强化传热效果不明显，需要更大的振动速度才能奏效。

２．３　传热性能Ｆｌｕｅｎｔ可直接输出壁面热流密度［７‐８］，对于恒温壁面，其热流密度按式（２）计算：ｑ＝λ（ｎ・楚Ｔ）。

（２）式中：λ为流体介质热导率；ｎ为所求表面处法向量；楚Ｔ为所求表面处温度梯度。

当不考虑翅片结构参数对传热的影响时，用热流密度描述换热性能更加直观、方便。

仿真得到了不同振动参数下１／４振动周期内翅片２的平均热流密度，根据仿真结果得出：ｕ＝２ｍ／ｓ，振动速度ｖ＝０．１３ｍ／ｓ情况下，ｑ相对无振动时增加１２．８１％，ｖ＝０．５ｍ／ｓ时ｑ增加５１．５０％；ｕ＝９．５ｍ／ｓ时，ｖ＝０．１３ｍ／ｓ与０．５ｍ／ｓ下，ｑ分别增加２．８３％和１４．７４％，说明振动对传热的增强随风速的增大而降低，这与流场及温度场的分析结果一致。

图８与图９示出了振幅和频率对热流密度的影响。

由图可以看出，ｑ随振幅、频率和风速的增大而增大，而当风速增大时，振动强化传热的效果先增强・９５・２０１３年１０月 程宏伟，等：管带式散热器翅片振动传热仿真研究 后减弱，当ｕ＝５ｍ／ｓ时强化传热效果最好，此时，ｆ＝２０Ｈｚ时ｑ提高３４．５０％，Ａ＝６ｍｍ时ｑ提高１６．７２％；在高风速及较小振幅与频率下，会出现热流密度降低的情况。

热流密度变化的原因是随着风速与振动的加强，翅片边界层变薄，流过百叶窗的气流增多，空气平均温度降低，这都有利于改善散热条件，增强对流换热，故ｑ增大。

此外，由于振动速度相对于风速而言较小，振动对流场分布仅起到干扰作用，而非决定作用，此时有两种矛盾因素共同影响热流密度变化，即随着风速的增加，一方面振动对流场的干扰减弱，强化传热减弱；另一方面热流密度值对流场的变化更加敏感，小的扰动就能引起ｑ较大的变化，虽然较高风速下流场的扰动减弱，但ｑ的起伏会变大。