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1、1 前言1.1 汽车散热器发展概况及趋势随着汽车制造业的迅速发展，汽车散热器的使用量也随之增加。回顾汽车散热器的发展历史，美国于1901年在第二次汽车展览会上展出了世界上第一个散热器，英国于1904年开始生产用于汽车的散热器，日本1935年在修配的基础上产生了散热器工业并且发展迅速。我国汽车散热器发展比较缓慢，是随着拖拉机和汽车工业的发展逐步发展起来的。汽车散热器主要经历了管片式铜质散热器、管带式铜质散热器、装配式铝质散热器、钎焊式铝质散热器等几个阶段。随着汽车发动机转速和功率的不断提高，热负荷也愈来愈大，对冷却系统的要求也越来越高，作为汽车水冷发动机冷却系统的重要部件，对散热器的要求也越来越
2、高。从整体来看，我国车用散热器的技术水平、质量状况已基本能够满足国内配套的需要，管带式铜散热器和钎焊式铝散热器为行业的主导产品。近年来，在我国，生产汽车散热器的厂家相继涌现出来，各个企业也设有专门的研究部门，可以根据发动机的功率、安装尺寸等参数及工作环境等要求，设计开发全新的产品。专业的团队加上先进的生产线及检测设备（如风洞试验台 16、振动试验台检测等） ，使国产散热器的质量得到明显提高，进口汽车散热器的比例正在逐渐减小。目前正逐步占据市场的散热器为新型的钎焊式铝制散热器。铜和铝是散热器制造的常见材料。近年来，散热器产品的改进主要是希望减轻重量，相同规格的铝制散热器比铜质散热器重量的三分之二
3、。大部分生产厂家都倾向于铝制散热器的设计研究。散热器的选取取决于汽车的型号以及发动机的功率等因素。中小功率的汽车大多采用的是铝散热器，汽车散热器正朝着轻型、高效、经济的方向发展。1.2 汽车散热器的结构特点汽车散热器属于汽车冷却系统，由进水室、出水室及散热器芯体等三部分构成，如图 1.1 所示。冷却液在散热器芯内流动，空气在散热器芯外通过。散热器是一个热交换器，在工作过程中，热的冷却液（水）向空气散热变冷，冷空气则吸收冷却液散出的热量而升温。济南大学毕业论文- - 2 - -1 进水室 2 散热器芯体 3 出水室图 1.1 汽车散热器外形为使冷却液通过，散热器芯部应具备足够的通流面积，同时也要
4、具备足够的空气通流面积，让足量的空气通过芯体以带走冷却液传给散热器的热量。为使热量传递达到基本的平衡状态，还要具有足够的散热面积，来完成冷却液、空气和散热片之间的热量交换。散热器芯部的结构形式主要有管带式和管片式两大类。管片式散热器芯部是由许多细的冷却管和散热片构成。冷却管大多采用扁圆形截面，以减小空气阻力，增加传热面积。管片式散热器具有结构强度较好，并且油污和尘埃堵塞芯部的可能性较小的特点，多应用于震动较大、工况较恶劣的环境的汽车冷却系统中。管带式散热器是由波纹状散热带和散热管相间排列经焊接而成。与管片式散热器相比，在同样的条件下，管带式散热器散热面积可以增加 12%左右，另外在散热带上开有
5、扰动气流的类似百叶窗的孔 9，以破坏流动空气在散热带表面上的附着层，提高了散热能力 18。开百叶窗波带的散热器传热效率较普通平片散热片提高了 160%。与管片式散热器相比，管带式散热器散热能力较高、质量较轻、制造工艺简单、成本低，但是结构强度不如管片式散热器，所以多应用于中小型车辆。1.3 选题的目的及意义随着计算机辅助设计制造技术的广泛应用，将这项技术应用到汽车散热器的计算机设计分析是一个发展趋势。散热器设计是一个复杂的计算过程，所涉及的学科比较多，包括热力学、流体力学、机械学等，设计参数比较多，包括结构参数和工况参数，济南大学毕业论文- - 3 - -在计算过程中计算量很大。汽车产品更新换
6、代越来越快，对散热器的设计要求也越来越高，因此，设计一款散热器的设计软件来减轻工作量，缩短设计周期是不可或缺的。本课题通过联系汽车散热器的结构性能进行了分析，通过 VB6.0 与 SQL SERVER 2000 设计一款管带式汽车散热器散热性能分析的系统，并将计算结果存储起来名，方便调用。本系统可以有效地减少设计人员的工作量、缩短设计周期、提高了产品的设计质量。为之后的工艺与工装设计打下了基础。济南大学毕业论文- - 4 - -2 散热器传热性能分析及计算公式汽车在正常行驶过程中，散热器处于正常工作状态，各项参数不随时间的变化而变化，在计算过程中作如下假设：（1）忽略散热器工作时的散热损失；（
7、2）视水和空气的流量为常量；（3）管壁与流体内都不存在轴向导热；（4）水和空气在换热过程中没有相变发生。具体分析计算过程如下所列。2.1 传热面积计算2.1.1 水侧面积计算散热水管截面如图 2.1 所示，其传热面积为 Fw，计算如下：Fw=截面周长水管长冷却水管数目（2.1）11w)(2NHWLF其中：F W水侧传热面积m 2；L1水管横截面长 mmW1水管横截面宽mmH1水管长mmN1水管数目图 2.1 散热管截面形状2.1.2 气侧面积计算FA=翅片单元周长翅片单元的有效宽度/翅片内距散热片的层数济南大学毕业论文- - 5 - -（2.2）212A )4(2 NwHLwHF 其中： 气侧
8、传热面积m 2翅片波高 mmH翅片波距mmw芯体厚度mmL气侧通道数2N2.2 当量直径的计算把水利半径相等的圆管直径定义为非圆管的当量直径 当量直径计算在总流的有效截面上，流体与固体壁面的接触长度称为湿周 3，用字母 L 表示。总流的有效截面积 A 和湿周 L 之比定义为水力半径，用字母 R 表示，即 R=A/L。对于圆形截面的管道，其当量直径用水力半径表示时可表示为 d=4R，即圆形截面的管道几何直径为水力半径的 4 倍。与圆形管道相类比，非圆形截面管道的当量直径 De 也可以用 4 倍的水力半径表示，即（2.3）UAR4e式中: A:流体的流通截面积; U:湿周边或热周边长。在计算阻力时
9、，它是流体润湿周边；在传热计算时，是参与传热的周边。2.2.1 水侧通道(矩形) 当量直径（2.4）)(241wWLUAD2.2.2 气侧通道当量直径散热器传热过程中一次传热面与翅片形成通道的当量直径 Dw：（2.5）22w414HwUAD济南大学毕业论文- - 6 - -2.3 对数平均温差t m 的计算对数平均温差t m 是指流体在整个热交换器中各处温差的平均值。 流体在热交换器内流动有顺流和逆流等流动方式，但由于受到空间等因素的限制,在工程应用中的热交换器多采用错流的、多流程的或者更为复杂方式的流动。相比顺流和逆流平均温差的的计算，错流和混流流动的计算比较复杂，不过通过一定的假设定义之后
10、可以通过简化的数学公式求出。常将这些流动方式的流体进出口温度先按逆流算出对数平均温差，然后乘以一定的修正系数 （0.950.98，查文献获得） ，在计算中一般取 0.98。假设冷流体的进、出口温度分别为 ta1、t a2，热流体进、出口温度分别为 tw1、t w2，则有:（2.6）121221minaxinl)()(lawaammtttttt式中：t max 取 t(t=tw1-ta2)和t(t=t w2-ta1)两者中的最大者，而 t min 取t 和t两者中的最小者。2.4 流体物性参数的计算2.4.1 定性温度的计算随着温度的变化相似准则数中的物性参数也会随之变化，在计算过程中需要选取定
11、性温度作为温度准则。在工程计算中，定性温度的取法有一下三种：（1）取流体的平均温度为定性温度；（2）取壁面温度为定性温度；（3）取流体和壁面的平均温度为定性温度。对于油类等高粘度的流体，在加热或冷却过程中粘度会有很大的变化，此时若用流体进、出口的算术平均温度作为定性温度计算换热系数，会出现较大的误差。在散热器中使用水作为流体，水的粘度不大，选取方法（1）来确定水的定性温度。济南大学毕业论文- - 7 - -（1）水的定性温度：（2.7）2/)(1wwtt（2）空气的定性温度：（2.7）2/)(1aatt2.4.2 物性参数多项式的计算（1）水的物性参数：水的导热系数 w,其单位为 W/(m)
12、（2.9）22336 10)84.597.01246.10485.6( www ttt水的运动粘度 w,其单位为m 2 /s（2.10）622437 )37.156.7.( www ttt水的普朗特数 Prw,其单位为（2.11）954.0.0923.110593.62336 wwwwr ttt水的密度 w,其单位为kg/m 3 （2.12）7.10756.447.2236 www ttt（2）空气物性参数：空气的导热系数 a ,其单位为 W/(m) （2.13）222537 10)47.106.108.4108.( aaa ttt空气的运动粘度 a,其单位为m 2 /s（2.14）62243
13、7 )8.373.8.26.( aaa ttt空气的普朗特数 Pra,其单位为（2.15）70.1049.107.210. 42638 aaawr tttP空气的密度 a,其单位为kg/m 3 （2.16）291.9.27.3258 aaaa ttt2.5 努塞尔数的计算济南大学毕业论文- - 8 - -努塞尔数是一个反映对流传热强弱的无量纲数。定义为：N u=hL/。由公式可知努塞尔数是传热系数 h 与特征长度 L 的乘积除以流体热导率 所得的无量纲数。其值可由相关文献查得。水侧努塞尔数的计算：(1)Rew2300 时，流体属于层流流动，N u 由充分发展的定壁温矩形槽理论解求得:（2.17
14、）minaxw97.2uDN式中： 是水管横截面长宽之比。minaxwD（2）当 230010，000 时，流动处于紊流状态，用 petukhov 式计算水侧表面传热系数:（2.19）)1(2/7.10. 3/rirePfRNuw对于式（2.18）和式（2.19）中的管内摩擦系数 fi 由 Filonenko 式计算:（2.20）-2e3.8)ln(1.58wRfi层流状态的换热率又太低,散热器在工作时水管里的流体一般处于过渡或紊流状态，故在设计中只对层流和紊流状态下的流体进行分析计算。气侧努塞尔数的计算公式为： 2eauaRfN2.6 翅片效率 f 和翅片表面总效率 o 的计算济南大学毕业论
15、文- - 9 - -散热器的工作过程中冷热流体之间的热交换大部分是通过翅片进行的，只有小部分直接通过散热管。在散热器设计中，翅片传热面积大约为热交换器总传热面积的67%88%。当水流量和空气流量不变时，改变翅片波距的大小可以得出散热器散热量和空气阻力随波距变化的关系，如图 2.2 为翅片波距对散热性能的影响。图 2.2 翅片波距对散热器热性能的影响由图 2.3 可知，随着翅片波距的增大，散热量随之减小。当其他尺寸不变时，散热器波距变小，则散热面子随之增加，散热量也相应的增加。同时，随着波距的增大，空气阻力随之减小。由此，适当的采用较小的波距可以提高散热量。在具体设计时，综合考虑各种因素（如风阻），在不违背设计原则的前提下，可选取较小的波距。波距越小，气侧换热系数越高，室外出风温度随之增加，空气流量减小，但是，在波距的减小使扁管长度变短，翅片的质量随之增加，散热器的成本也就随之增加，在具体设计中，要综合考虑，得到最优化的散热器。当散热器整体尺寸不变时，翅片波高的改变散热器的散热性能。翅片波高对散热器热性能的影响如图 2.3 所示。济南大学毕业论文- - 10 - -图 2.3 翅片波高对散热器热
