李揚,李鵬,杜少杰.基于AMESim散熱器串并聯(lián)布置對性能影響分析[J].機械設計與制造,2021(12):220-223+229.

摘要：

發(fā)動機高溫散熱器和附屬中冷散熱器的布置形式對整體散熱影響較大。針對散熱器、中冷器、冷卻水泵等主要結構進行建模和參數設計，基于AMESim搭建發(fā)動機熱管理系統(tǒng)模型，參考試驗數據對換熱系數進行擬合；基于模型對散熱系統(tǒng)性能進行分析；根據高溫散熱器和中低溫散熱器的串并聯(lián)布置形式，獲取發(fā)動機進出口冷卻液溫度，對比兩種布置形式的優(yōu)缺點；結果可知：散熱系統(tǒng)滿足發(fā)動機散熱要求；散熱器冷卻空氣進氣側在并聯(lián)系統(tǒng)中為環(huán)境溫度，比串聯(lián)系統(tǒng)溫度降低4.55℃；相對于串聯(lián)的布置形式，將散熱器和中冷器正面面積減半并聯(lián)布置后，發(fā)動機出口溫升提高1.41℃，回水溫差提高2.22℃，對發(fā)動機的性能影響較小，但整車結構變得更加緊湊，空間得到了更加充分的利用；但并聯(lián)式管道布置比并聯(lián)式復雜，在實際中應綜合考慮。

1 引言

發(fā)動機廢氣渦輪增加技術提升了發(fā)動機的動力性，同時使得進氣溫度上升，對進氣量有一定的影響，因此，在一些大型車輛上一般配置有負載設備冷卻系統(tǒng)，采用中低溫散熱器進行冷卻散熱。而中低溫散熱器與高溫散熱器通常組合在一起形成散熱器模塊，配置在車輛前端，通過冷卻風扇強制散熱，實現(xiàn)發(fā)動機的正常工作[1]。而兩種散熱器的布置形式，對散熱效率有一定的影響，因此，對此進行研究具有一定的應用價值。

國內外學者對發(fā)動機散熱進行一定研究：文獻[2]采用風洞試驗的方法，對散熱器的質量風速與冷卻效果之間關系進行研究；文獻[3]采用一維軟件建立發(fā)動機熱管理系統(tǒng)模型，分析散熱器和冷卻風扇之間的匹配關系。

文獻[4]采用三維軟件建立散熱器模型，分析結果參數對性能的影響規(guī)律。文獻[5]采用數值分析的方法，對散熱系統(tǒng)的匹配性進行分析；文獻[6]采用試驗方法，分析散熱器布置對冷卻效果的影響。

針對散熱器、中冷器、冷卻風扇、冷卻水泵等進行建模，基于AMESim搭建發(fā)動機熱管理系統(tǒng)模型，結合試驗參數對換熱系數進行擬合，對系統(tǒng)的冷卻效果進行分析；根據高溫散熱器和中低溫散熱器的不同布置形式，獲取發(fā)動機進出口冷卻液溫度，對比兩種布置形式的優(yōu)缺點。

2 發(fā)動機熱管理系統(tǒng)模型

2.1 發(fā)動機散熱系統(tǒng)

發(fā)動機散熱系統(tǒng)，如圖1所示。系統(tǒng)主要包括散熱器、中冷器、冷卻風散、節(jié)溫器等主要單元，各單元之間既有獨立的循環(huán)系統(tǒng)，而相互之間又互相干涉，是一個復雜的熱系統(tǒng)[7]。 

2.2 發(fā)動機熱管理系統(tǒng)模型

2.2.1 散熱器參數

散熱器和冷卻風扇是重要的熱交換單元，風扇帶來的冷卻風強制與散熱器進行熱交換，實現(xiàn)熱量的轉移。

2.2.2 換熱系數設置

假設整個換熱過程無熱量損失，發(fā)動機的散熱全部通過散熱器散發(fā)[9]，采用換熱系數半經驗公式：

2.2.3 水泵參數設定

為了準確全面的表征離心泵的特性，需在一定轉速下，將實驗測得各項參數關系繪成一條曲線，即離心水泵的特性曲線[10]，如圖4（a）所示。用ASCII寫入AMESim的曲線，如圖4（b）所示。

3 發(fā)動機熱管理模型

3.1 仿真模型

在AMESim 中建立發(fā)動機熱管理模型[11]，結構圖，如圖5所示。

主要零部件的參數已在設計部分列出，其余整車結構和性能數據，如表1所示。

3.2 計算結果分析

發(fā)動機達到額定轉速1900rpm時，散熱器內外流體分布，如圖6、圖7所示。

從圖7（a）可以看出，經過換熱呈現(xiàn)出的狀態(tài)與之前一直，左低右高。從圖7（b）~圖7（d）可以看出，散熱器液體流入口的溫度最低，77.96℃，與入口位置越遠溫度越高，最高溫度為92.03℃。

4 散熱器串并聯(lián)布置方式對比

4.1 散熱器串聯(lián)與并聯(lián)安裝

中冷器可以與散熱器串聯(lián)（前后布置），或并聯(lián)布置（左右布置）[12-13]，如圖8所示。

串聯(lián)布置可以增大散熱器的正面面積，提高散熱能力；并聯(lián)布置最大的優(yōu)點是可以減小風阻，降低散熱器冷卻空氣的進口溫度。

在原模型的基礎上，將散熱器和中冷器的正面面積減小，使中冷器和散熱器并聯(lián)，如圖9所示。

4.2 分析結果對比

環(huán)境溫度和液體的初始溫度均設置為20℃。減小正面面積的同時增大散熱面積減小流體體積，采用圖9并聯(lián)布置考察比較兩種冷卻系統(tǒng)。經600s仿真結束后，內外流體具體的溫度變化，如圖10所示。

從圖10（a）冷卻液的溫度變化曲線可以看出，發(fā)動機出水溫度93.38℃，經過一系列的熱交換，最后回到進水口的溫度為87.59℃。發(fā)動機進出口溫差5.79℃，滿足發(fā)動機工作要求。散熱器進出口溫差7.81℃，滿足散熱要求。從圖10（b）可知，冷卻空氣與中冷和高溫散熱器進行熱交換后的溫度分別為28.52℃和70.68℃。兩種形式熱分布對比，如圖11所示。

從圖11可以看到兩種冷卻系統(tǒng)內流體和外流體的熱分布情況，經監(jiān)測，散熱器冷卻空氣進氣側在并聯(lián)系統(tǒng)中為環(huán)境溫度，比串聯(lián)系統(tǒng)溫度降低4.55℃；散熱器內冷卻液溫度自進水口至出水口遞減，最高溫度93.38℃，中間區(qū)域90.78℃，最低溫度87.59℃。具體仿真數據對比，如表2所示。

從表2及圖11可以看出，相對于串聯(lián)的布置形式，將散熱器和中冷器正面面積減半并聯(lián)布置后，發(fā)動機出口溫升提高1.41℃，回水溫差提高2.22℃，對發(fā)動機的性能影響較小，但整車結構變得更加緊湊，空間得到了更加充分的利用。

5 結論

基于AMESim發(fā)動機熱管理模型，對串并聯(lián)散熱器性能進行對比分析，結果可知：

（1）散熱器冷卻空氣進氣側在并聯(lián)系統(tǒng)中為環(huán)境溫度，比串聯(lián)系統(tǒng)溫度降低4.55℃；散熱器內冷卻液溫度自進水口至出水口遞減，最高溫度93.38℃，中間區(qū)域90.78℃，最低溫度87.59℃；

（2）相對于串聯(lián)的布置形式，將散熱器和中冷器正面面積減半并聯(lián)布置后，發(fā)動機出口溫升提高1.41℃，回水溫差提高2.22℃，對發(fā)動機的性能影響較小，但整車結構變得更加緊湊，空間得到了更加充分的利用；

（3）相較于串聯(lián)式布置，并聯(lián)式布置形式可以使得中冷散熱器和高溫散熱器都能更充分的散熱，散熱效果更優(yōu)，但管道布置比并聯(lián)式略復雜。