汽车中冷器数值分析辅助设计研究

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Numerical auxiliary study of charge。air cooler designHUANG Rui，LI Hong-miao。，HAN Song ，CHEN Jun-xuan ，HUANG Yu-qi ，LU Guo-dong2(1.Power Machinery and Vehicular Engineering Institute，Zhejiang University，Hangzhou 310027，China；2.Zhejiang Yinlun Machinery Co.，Ltd.，Tiantai 3 1 7200，China)Abstract：Heat exchange eficiency and flow resistance are definitively influenced by the fins structure and dimension of both hot andcold sides，as to the plate-fin charge-air cooler.Accordingly，how to select and match fins is proved to be the most important process incharge-air cooler design.Aiming at investigating the performance of charge-air cooler with different fin combinations，numerical auxiliarystudies and experiment were carried out.Combined with computer aided design(CAD)and computational fluid dynamics(CFD)analysis，numerical auxiliary studies were caried out to investigate the cooler design，simulation，comparison and selection.Findings wereconsistent with wind tunnel experiment which was used to validate the efectiveness of the method.The results indicate that the match oftothed fin on hot side and orthogonal-wave fin on cold side is most efective among all the 8 alternative combinations of diferent finstructures.Heat exchange performance can be improved by properly reducing the channel height of the hot side，increasing the finsnumber and decreasing the fin pitch。

Key words：charge-air cooler；fin construction；numerical simulationo 7 1言 靠 低阻力能耗对整车热管理具有随着发动机涡轮增压技术的广泛运用，中冷器逐 由于车内空间的限制，目前常用的中冷器大多采渐成为车用冷却系统中的-个重要组成部分。提高 用紧凑、高效、轻巧的板翅式结构。-旦中冷器的基收稿日期：2013-03-12基金项目：国家自然科学基金资助项目(51206141)作者简介：黄 瑞(1985-)，男，浙江台州人，主要从事发动机及车辆热管理方面的研究.E-mail：hrss###zju.edu.CI通信联系人：黄钰期 ，女 ，博士后.E-mail：huangyuqi###zju.edu.cn第 6期 黄 瑞 ，等：汽车中冷器数值分析辅助设计研究 ·655 ·本结构、体积确定，从各种类型的散热带、紊流带中选择最合理的匹配方案并确定尺寸参数，成为整个设计过程中的关键环节↑年来，各种不同的计算方法被用于中冷器性能的分析和研究。曾纬 、苏石川乜 等利用遗传算法对某车用增压柴油机的空-空中冷器进行了优化设计 ，提出了快速获取中冷器最优化芯体结构的方法。该方法效率高，能大量缩短设计周期，降低成本，但是无法对多种类型的散热带、紊流片组合进行分析。何雅玲等b 根据已有的经验公式，采用稳态分布参数方法研究了中冷器散热能力和空气侧阻力特性，计算结果与试验吻合较好。然而该方法只能满足某扁管-翅片组合的平行流式中冷器的设计使用。此外，还有众多研究者对中冷器进行了大量的试验研究 ，为中冷器的结构设计提供了有效的指导。

但是，这些方法往往只能针对特定结构的中冷器进行研究，对具体的尺寸参数提出优化建议，而无法分析比较不同散热翅片和紊流翅片匹配关系之间的优劣。

随着计算机软、硬件的发展和计算流体动力学(CFD)分析技术的兴起，对散热器进行三维数值仿真并获得可用于工程设计参考的有效结论 ，逐渐成为人们关注的方向。过往研究 坦 也表明，通过建立合适的模型和网格，三维仿真的计算结果能达到较高的精确度(通过试验等方法验证)，获得有效的散热器I生能数据。

本研究尝试通过数值仿真方法对不同的中冷器散热带、紊流片组合结构进行辅助分析和比较研究，结合计算机辅助设计(CAD)和CFD分析技术，完成中冷器的初步设计 、仿真、比较和选型；选取部分组合进行风洞试验，以验证该方法的有效性。

l 中冷器结构本研究的研究对象是板翅式空-空中冷器，中冷器模型示意图如图1所示。散热带与紊流带交替排列，之间的隔板厚度为0.6 mm，翅片厚度为0.2 mm，冷热空气通过隔板和翅片进行换热。其中，主要换热区域-中冷器芯部尺寸为300 mmX300 mmX70 mm。

图1 中冷器模型示意图目前，中冷器中常用的翅片结构有：双向波纹型、直角波纹型、波浪型、锯齿型、百叶窗型、波纹打孔型等类型，散热带及紊流片类型如图2所示。为避免中冷器外侧空气中的灰尘污垢影响换热效果，空-空中冷器外侧的散热带结构不宜采用锯齿型、百叶窗型或打孔型。

(a)双向波纹型 (b)直角波纹型(c)波浪型 (d)锯齿型图2 散热带及紊流片类型散热翅片和紊流翅片虽然种类繁多，但在实际生产中，由于受到模具设备的限制，每个企业可选择的翅片结构大多是有限。根据实际情况，本研究将可选的散热带和紊流带的尺寸参数列出，如表1所示。

表 1 散热带、紊流片尺寸列表(单位 ：lnln)中冷器的冷热介质均为空气，两侧流体的热特性并不存在数量级上的差别，故冷热两侧都是强化传热的重要区域。因此，如何匹配散热带和紊流片，对设计高效节能的中冷器非常关键。当芯部尺寸固定后，在设计时不仅要考虑翅片本身的换热能力，而且要结合总体流量分布，由散热带、紊流带高度决定的冷热通道数 目和各通道的质量流量分析不同的翅片组合应用于该中冷器时的综合效果。利用已有的散热带和紊流片进行组合，寻找最优化匹配方案，是选型的最终目的。

结合实际情况和生产需求，本研究将散热带和紊流片排列组合后，形成8种不同的中冷器翅片结构型式组合方案。匹配方法及对应的冷(散热带)、热(紊流片)侧通道的数目如表2所示。其中，散热带与紊流片的大、小写字母标识对应见表1。

-憾 -N 8n机 电 工 程 第30卷扭曲程度)，具有较大的冷侧阻力。当风速升高时，此4个方案的阻力跃升也最明显。而方案1、2因为采用了波距较小的散热带(A)、(B)，产生的阻力压降也较大。

各方案在不同工况下计算得到的热侧气体出入口温差如图7所示。从图7中可以发现，方案8降温效果最佳，其次为方案7和方案5。方案8和方案5均采用锯齿型紊流片和直角波纹型散热带组合。方案7也使用了直角波纹型散热带，且此方案热侧与冷侧通道的总体高度最小 ，散热带与紊流片数目最多，有利于散热。采用波浪型紊流片与双向波纹型散热带的方案2散热效果最差，其散热带与紊流带数目也最少。

工况l 工况2 工况3图7 热侧通道不同工况下出入口温差各方案热侧通道中散热量与压降的比值如图8所示。由图8可见，方案8的总体效率最佳。

OI3503O.250.20.15O.10.050工况 1 工况2 工况3图8 不同工况下热侧散热量与压降比值将采用相同类型紊流片的方案2和6、方案 1和7、方案3和8以及方案4和5进行两两对比，可以发现，紊流片结构相同时，使用直角波纹型散热带的方案6、7、8、5换热效率更佳。同理，将方案8和7、方案5和6进行两两对比，可以发现，散热带结构相同时，采用锯齿型紊流片的方案 8和5换热效果更佳。因此 ，在备选的翅片方案中，锯齿型紊流片与直角波纹型散热带较优的翅片结构，该组合具有最佳的换热性能。此外，通过适当增加散热带或紊流片的数目、减小翅片波距和节距，也可以有效提高换热性能。

因数值仿真采用单元分析方法，仿真数据无法和试验数据直接进行比较，笔者通过比较二者对中冷器性能优劣排序的-致性，考察数值单元分析方法的实际工程应用价值。

通过分析各种中冷器冷热侧压损试验数据(如图9/i：示)和换热特性试验数据(如图10所示)，可得出热侧压损6>5>4>3，冷侧压损3>6>5>4，换热能力5>6>4>3。也就是说，试验结果与数值单元仿真结果基本相符。

罨矗 骞m；/og·hr)(a)试验方法热侧压降与流量关系14o120100莺402O0·s )风洞进风口风量(b)试验方法冷侧压降与风速关系图9 试验方法压降与风速关系mJOxghr )图1O 试验方法热侧进出口温差随工况关系需要注意的是，因为建模 中翅片实际厚度被忽略，因而压差的仿真结果数据与试验结果有出入，尤其是锯齿型翅片，误差相对较大。此外，仿真分析时假设冷热通道人口是均匀分布的，这与实际情况也存在-定差异。

4 仿真结论和试验结果的对比 5 结束语为了验证数值仿真分析结果和方法的正确性，本研究通过风洞试验对上述中冷器产品进行相应样品的测试工作，将部分工况的试验分析结果与仿真分析本研究针对不同的中冷器散热带、紊流片结构，通过数值仿真方法，开展了仿真及试验研究。数值单(下转第677页)第6期 张子- ，等：-步法门窗密封条生产线的研究 ·677 ·(1)具体研究了-步法超声波焊接工艺和背条工艺。研究结果表明超声波焊接比热粘合法节能、环保、操作简单；如果背条能犁出能量导航条和侧翼，那么焊接背条、纱线和胶片时更牢固。

(2)利用Pro/E三维制图软件和AutoCAD软件设计了钢带传输机构、纱线卷绕机构、密封条分切机构和密封条拖拽机构，为国内门窗密封条生产企业研制- 步法门窗密封条生产线提供参考。

(3)利用ABB ACS800变频器的主从控制功能和台达 DVP32ES200R PLC实现了生产线的 自动控制。

根据变频器主从控制的原理，设置钢带传输电机为主动电机，绕线机构驱动电机为从动1电机，密封条拖拽机构驱动电机为从动2电机，设置合理的参数，使整个流程运转合理。本研究利用PLC，合理设置I/0分配，控制 自动化流程。同时笔者研究了加入提升-步法门窗密封条生产线性能的器件，包括检测进料处背条和胶片的有无 、检测纱线筒上纱线的有无和绕线时纱线是否断掉、加人计数报警装置、设计背条犁槽机、安装工业触摸屏等，为-步法门窗密封条生产线的合理生产提供了理论指导。