王一川，潘 登，刘奕成
(华北理工大学 机械工程学院，河北 唐山 063009)
近年来,全球石化能源短缺、环境污染等问题日益严重,全球各国对环境保护和能源节约越发重视,社会各行业对此投入了相较以往更多的关注和相关方面的研究实践。我国是建设大国和汽车大国,各类设施建设所需的工程车辆数量庞大的同时民用汽车的数量也在不断增加。为了缓解当下日益严重的环境污染和能源短缺的问题,政府开始提倡新能源汽车的使用,因而新能源汽车在近年来在数量上快速增加,在技术上也取得了较大进步。相较于民用汽车,工程车辆的能源消耗大、环境污染严重。在此背景下,我国已有企业着手于将工程车辆改造成新能源机型,但目前仍处于探索阶段,且存在较多问题亟待解决。数值计算法发展到现在已经很成熟了,通过对散热器进行数值计算[1],能更加直观地了解到散热器内部流体温度和速度的分布情况,便于分析散热器结构布置的合理性[2],减少试验的工作量。另外,数值计算法具有较强的可视化能力,研究者可以清晰地观察到散热器内部正在发生的现象[3],并且变量控制和设置十分便捷,省去了试验的繁琐程序,在模型优化问题中能快速得到优化结果[4]。本文针对新能源工程车辆车用水冷板的散热性能进行分析与研究。
1.1 3D简化模型
水冷板结构参数如表1所示。
表1 水冷板结构参数
按照表1中水冷板的结构参数,在NX UG 11.0中建立其3D模型,如图1所示。为了在提升网格质量的同时不影响仿真的精确性,对其模型进行简化,对初始模型的倒角部分、表面安装孔和垫圈卡槽进行填充;将水冷板内部的减重区域简化为更为规则的形状。
图1 水冷板3D模型
1.2 网格划分
使用Fluent Meshing生成整个计算模型的网格。网格划分种类大致可分为结构性网格和非结构性网格两种。结构性网格主要包括四边形和六面体,其特点是计算耗时较少,非结构性网格主要为多面体,多用于结构复杂的模型。水冷板整体结构在经过简化之后较为简单,整体使用非结构化多面体网格划分,多面体网格对于流道弯曲部分能有效地提高网格质量,并且多面体网格的插值面更多、计算收敛速度更快。为了提高仿真精度,在流道近壁面处建立5层边界层网格。边界层的初始值设置为0.005,增长速率设置为1.1。不同区域的网格按不同的尺寸划分,以节省计算资源。计算域的部分网格示意图如图2所示。内置的网格质量报告显示,所有网格的平均扭曲度为0.46,通常模型网格失真度在0.8以下就可以满足数值计算要求,因此划分的网格可以用于进一步的数值分析。考虑到网格数量对计算结果的影响,有必要进行网格独立性检验。在进口流速为0.5 m/s 的条件下进行网格独立性试验。采用7个不同网格数量的网格系统进行网格独立性测试,发现在423万～586万的网格数量范围内仿真结果的误差较小。因此,本文中的网格数量限制在400万～500万范围内,以确保在较低的成本下得到较高的模拟精度。
图2 计算域局部网格示意图
1.3 边界条件
边界条件的设定是为了对水冷板内部的流体运动进行相应的引导与限制。水冷板简化模型的边界条件设置如图3所示,每个边界条件的划分类型及依据如下:将冷却液入口设定为速度入口;由于压力出口边界具有更好的收敛速度,因此将冷却液出口设定为压力出口;将整体流道和空气区域设置为流体域,流道内流体为冷却液;水冷板框架结构设定为固体域,其材料为铝。流体入口速度设置为0.5 m/s,入口温度设置为18 ℃;同时,出口被设置为压力出口。所有墙体均设置为固定无滑移和0.5 μm的粗糙度,流道表面设置为耦合边界,其他壁面设置为热流边界。重力和能量方程也被应用。其他相关的仿真参数设置见表2。
图3 水冷板简化模型边界条件设置
表2 其他仿真参数设置
2.1 仿真结果分析
CFD仿真在Fluent 15.0中进行,应用标准k-ε模型和SIMPLE隐式算法实现速度和压力的耦合。此外,为了在保证计算结果稳定性的前提下提升收敛速度,需确保松弛因子在合理的范围内,本文中将压力、密度、动量、湍动能、湍流耗散率、湍流黏度和能量的松弛因子分别设置为0.3 Pa、1 kg/m3、0.7 kg·m/s、0.8 m2/s2、0.8 m2/s3、1 kg/(m·s)和1 J。当能量残差和其他方程的残差分别在一定数量步长内连续小于1 × 10-9和1 × 10-5时则认为该迭代是收敛的。经历大约20 000步迭代后,停止计算并输出计算结果,在后处理软件Tecplot中进行仿真结果的调取与分析。
流道内流体的温度分布云图如图4(a)所示,可以看出,随着流体不断流入流道内,流体温度不断升高,换热量不断增加。由于每个小通道内换热柱结构的不同,造成局部热流密度的差异,进而导致了流体温度的不同,越靠近散热柱,流体温度越高;不同小通道内流体温度差异可达10 ℃,流体出口温度为40.13 ℃,升高了22.13 ℃,证实了流道内换热的产生。
图4 流道内流体的温度和速度分布云图
流道内流体的速度分布云图如图4(b)所示,入口速度为0.5 m/s,流道内流体的最大流速为0.83 m/s,最小流速为0.05 m/s。造成这种现象的原因可能是在进口处产生涡流,导致在流体经过换热柱后各个流道流量分配不均匀,进而导致各个流道内流体的流速发生显著变化。同时,流体流速的不同也造成了各处换热速率的不同,进而影响了整体换热性能。流道内流体的平均流速为0.16 m/s。
2.2 散热量和压力损失计算
在水冷板的性能研究中,建立其性能的评价因子是必不可少的。本文中用总散热量和总压力损失来评价水冷板的性能。总散热量和总压力损失分别表征了流道内流体的散热和阻力特性,总散热量越大,换热性能越好,总压力损失越小,流动阻力越小。更高的散热量和更低的压力损失意味着更好的综合性能。
选用公式(1)[5]计算水冷板的总散热量Q:
Q=cpm(t2-t1).
(1)
且
m=A×v.
(2)
其中:cp为流体的定压比热容;m为入口流体的质量流量;t1为入口温度;t2为出口温度;A为进口面积;v为进口流速。
利用公式(3)计算总压力损失Δp:
Δp=p2-p1.
(3)
其中:p1为入口压力;p2为出口压力。
通过仿真可知,cp=3 677.7 J/(kg·℃),t1=18 ℃,t2=40.13 ℃,A=0.12 m2,v=0.5 m/s,p1=0 Pa,p2=394.84 Pa,计算可得水冷板流道内的总换热量为4 883.25 J,总压力损失为394.84 Pa,均在可接受的范围内,达到了预期的工作性能要求。
本文针对新能源工程车辆的水冷板,利用CFD仿真技术在特定工况下进行性能研究,采用数值分析法对水冷板在特定工况下的散热性能进行计算评价,最终得到以下结论:
(1) 水冷板流道内最大流速为0.83 m/s,最低流速为0.05 m/s,平均流速为0.16 m/s。对比高流速区域和低流速区域,其换热效率相差较大。
(2) 水冷板进、出口处形成了较为明显的涡流,且在经过换热柱后流体在流道内部分配不均造成板内各流道流速差异较大,影响水冷板的整体换热性能。
(3) 利用CFD仿真结果进行计算,水冷板的总换热量为4 883.25 J,总压力损失为394.84 Pa,能够满足高效工作下的换热需求。
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