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基于场协同原理的车用冷却系统流动传热耦合分析与结构优化

作　者: 黄钰期
导　师: 俞小莉
学　校: 浙江大学
专　业: 车辆工程
关键词: 流动传热 CFD数值仿真风洞实验场协同原理流动不均匀性冷却模块组合风扇配置
分类号: U464.138
类　型: 博士论文
年　份: 2010年
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内容摘要

汽车冷却系统是保障车辆稳定运行的重要辅助系统,对节能减排具有直接影响。在当前环境下,随高密度、大功率发动机的出现以及众多新技术、新系统在汽车上的应用,车辆散热环境日趋恶劣,对冷却系统的体积、重量、工作效率等也提出了新的需求。而各热交换器组件的性能优化是实现冷却系统整体优化设计的基础。如何在不借助辅助设备,不改变使用条件并合理控制阻力能耗的前提下,实现流动传热过程的优化,是现代汽车冷却系统设计和研究的核心问题。本文以强化传热的场协同原理为理论依托,以计算流体力学(CFD)方法为主要研究手段,与风洞实验技术相结合,对车用冷却系统从单元到组合模块,从局部到整场,从微观到宏观的流动传热特性分别进行研究。主要研究内容包括：1.对车用冷却系统的局部换热单元、单个热交换器、热交换器组件以及热交换器与风扇组合分别建立CFD三维仿真模型,研究换热过程的流动传热特性。2.采用多尺度耦合法对单个热交换器进行微观分析和整体仿真。3.利用风洞实验平台,采集实验数据以验证仿真模型的有效性。4.根据实际工作时可能遇到的状况对原始模型和边界条件进行调整,分析冷热介质流动不均匀性对单元换热过程的影响。5.研究单个热交换器内外侧的流动特性,分析结构、冷却介质分布规律等因素对整体换热效果的影响,提出可行的结构优化方案。6.分析两相邻热交换器之间的相对位置、距离以及热介质流动方式对组合模块换热过程的影响。7.研究吸气式风扇驱动时空气的流动特性。将热交换器和风扇进行组合,比较不同风扇配置方案对热交换器换热效果的影响。8.结合热交换器中的场协同原理,对以上研究结果进行印证和解释,设计相应的强化传热方法或结构优化方案。通过以上一些研究,发现：对以空气(气体)为冷热介质的换热过程,如果在计算时考虑介质的物性变化,与常物性并参照入口温度设置物性参数的仿真模型相比,会使冷热侧温差略为降低,冷空气压降略有增加,而热空气的压降明显减少。对局部单元的换热,如果热介质流速分布不均匀,尤其是热介质流速沿冷却介质流动方向降低时,会使单元换热能力降低。如果冷却介质的温度分布沿热介质流向降低,冷热介质温度场协同性相对更好,能适当提高换热效果,反之则使换热效果变差；如果冷却介质的流速沿热介质流动方向升高,流速升高导致温度降低,也能改善冷热介质温度场的协同性,使换热效果略好,反之则换热较差。对单个热交换器,如果采用多尺度耦合分析方法对热交换器进行详解,能显著提高计算精度,但操作过程较为复杂。在车用热交换器中,热介质在各通道的不均匀分布是降低整体工作效率的一个主要因素。因此,改良热交换器结构,使热介质在各通道分布更均匀,是有效的优化方向。此外,增大热交换器低温区的冷却介质流量,能降低低温区冷却介质的温度,改善冷热流体温度场的协同性,实现强化换热的目的。对相邻热交换器组合模块,在不考虑热辐射因素时,变换芯部上下的相对位置会对换热有轻微的影响,而当芯部距离达到一定范围且四周密封时,再增大芯部间距也并不会影响前后热交换器的换热效果。改变上游热交换器热介质流动方向,使热通道中的流量和温度分配更均匀,能显著提高该热交换器的换热效率,但由于冷却风在流经该热交换器后的温升更高,将导致下游热交换器的换热效果变差。在吸气式风扇的驱动下,风扇上游速度分布并不均匀,叶片尤其是叶尖正前方的来流速度较高,轴心和边角处速度较低。将热交换器及风扇区域密封,对提高风扇的工作效率十分关键。对典型的乘用车水散热器,采用一个较大风扇和两个小风扇的组合,和传统风扇配置方案相比,在静压(总和)相等的情况下,能实现更好的换热效果。

全文目录

摘要  5-7
Abstract  7-12
表格目录  12-14
1 绪论  14-32
  1.1 引言  14-17
  1.2 车用热交换器强化传热技术研究现状  17-25
    1.2.1 热交换器翅片参数的实验研究和优化  17-20
    1.2.2 热交换器整体结构改良  20
    1.2.3 车用热交换器被动强化技术研究  20-21
    1.2.4 热交换器仿真计算研究工作进展  21-25
  1.3 车用热交换器流动传热耦合问题分析和场协同研究综述  25-29
    1.3.1 流动传热耦合问题  25-27
    1.3.2 流固边界耦合问题  27-28
    1.3.3 多尺度耦合问题  28-29
  1.4 冷却系统组合模块优化研究和整体性能分析  29-31
  1.5 主要工作目标和研究内容  31-32
2 换热单元流动传热问题的三维数值仿真与影响因素研究  32-58
  2.1 换热单元仿真模型分析  32-39
    2.1.1 三维模型的建立与网格划分  32-34
    2.1.2 边界条件和假设  34
    2.1.3 数学模型和参数设定  34-36
    2.1.4 仿真结果分析  36-39
  2.2 仿真模型的实验验证  39-43
    2.2.1 实验装置  39-40
    2.2.2 测试结果  40-41
    2.2.3 仿真模型验证  41-42
    2.2.4 误差分析  42-43
  2.3 气体物性对单元换热效果的影响  43-49
    2.3.1 气体物性分析  43-46
    2.3.2 物性变化在流动传热过程中的影响  46-49
  2.4 流动不均匀性对单元换热性能的影响  49-56
    2.4.1 热侧流速不均匀对单元换热的影响  49-51
    2.4.2 冷侧温度分布不均匀对单元换热的影响  51-54
    2.4.3 冷侧速度分布不均匀对单元换热的影响  54-56
  2.5 小结  56-58
3 单个热交换器换热过程的多尺度耦合研究与场协同分析  58-94
  3.1 单个中冷器整体仿真模型分析  58-74
    3.1.1 建立单个中冷器多孔介质简化模型  59-62
    3.1.2 仿真结果分析与重点区域数据提取  62-66
    3.1.3 重点区域细化模型仿真研究  66-68
    3.1.4 细化模型流动换热微观分析与简化模型修正  68-74
  3.2 风洞实验与仿真结果验证  74-78
    3.2.1 实验设备说明  74-76
    3.2.2 测试结果  76
    3.2.3 单个热交换器仿真结果验证  76-77
    3.2.4 误差分析  77-78
  3.3 中冷器内流场分析及对整体换热性能的影响  78-85
    3.3.1 气室内流动特性研究  78-82
    3.3.2 均匀流动假设对整体换热性能的影响  82-85
  3.4 冷却空气侧整场流动分布特性研究  85-88
    3.4.1 冷却空气侧场协同分析  85-86
    3.4.2 流场局部强化的假设对整体换热性能的影响  86-88
  3.5 优化方案设计  88-92
    3.5.1 气室改造  88-91
    3.5.2 局部区域翅片加密  91-92
  3.6 小结  92-94
4 热交换器组合模块的协同分析  94-116
  4.1 中冷器与水散热器组合模块的仿真研究  94-99
    4.1.1 建立三维物理模型  94-96
    4.1.2 仿真结果分析  96-99
  4.2 实验验证  99-106
    4.2.1 实验台架  99-101
    4.2.2 测量仪器及传感器  101-103
    4.2.3 热交换器组合模块实验方案  103-104
    4.2.4 计算结果验证  104-105
    4.2.5 误差分析  105-106
  4.3 组合模块的协同分析  106-115
    4.3.1 变换芯部相对位置对总体换热效果的影响  106-109
    4.3.2 热交换器间距对总体换热效果的影响  109
    4.3.3 中冷器热介质流动方式对总体换热效果的影响  109-115
  4.4 小结  115-116
5 基于整场流量控制的风扇配置探索性研究  116-136
  5.1 乘用车水散热器的整体仿真与分析  116-123
    5.1.1 水散热器整体仿真模型的建立  117-118
    5.1.2 仿真结果分析  118-120
    5.1.3 乘用车水散热器仿真模型的实验验证  120-122
    5.1.4 误差分析  122-123
  5.2 风扇流动特性分析  123-126
  5.3 水散热器与传统风扇组合模型的仿真研究  126-129
  5.4 不同风扇配置方案对空气侧流场的影响  129-134
  5.5 小结  134-136
6 全文工作总结与展望  136-140
  6.1 工作总结  136-137
  6.2 创新点  137-138
  6.3 后续研究展望  138-140
参考文献  140-147
致谢  147-148
作者简历  148

基于场协同原理的车用冷却系统流动传热耦合分析与结构优化

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