【正文】 1 前言 隨著汽車制造業(yè)的迅速發(fā)展，汽車散熱器的使用量也隨之增加?；仡櫰嚿崞鞯陌l(fā)展歷史，美國于 1901年在第二次汽車展覽會上展出了世界上第一個散熱器，英國于1904年開始生產(chǎn)用于汽車的散熱器，日本 1935年在修配的基礎上產(chǎn)生了散熱器工業(yè)并且發(fā)展迅速。我國汽車散熱器發(fā)展比較緩慢，是隨著拖拉機和汽車工業(yè)的發(fā)展逐步發(fā)展起來的。汽車散熱器主要經(jīng)歷了管片式銅質散熱器、管帶式銅質散熱器、裝配式鋁質散熱器、釬焊式鋁質散熱器等幾個階段。 隨著汽車發(fā)動機轉速和功率的不斷提高，熱負荷也愈來愈 大，對冷卻系統(tǒng)的要求也越來越高，作為汽車水冷發(fā)動機冷卻系統(tǒng)的重要部件，對散熱器的要求也越來越高。 從整體來看，我國車用散熱器的技術水平、質量狀況已基本能夠滿足國內(nèi)配套的需要，管帶式銅散熱器和釬焊式鋁散熱器為行業(yè)的主導產(chǎn)品。近年來，在我國，生產(chǎn)汽車散熱器的廠家相繼涌現(xiàn)出來，各個企業(yè)也設有專門的研究部門，可以根據(jù)發(fā)動機的功率、安裝尺寸等參數(shù)及工作環(huán)境等要求，設計開發(fā)全新的產(chǎn)品。專業(yè)的團隊加上先進的生產(chǎn)線及檢測設備（如風洞試驗臺 [16]、振動試驗臺檢測等），使國產(chǎn)散熱器的質量得到明顯提高，進口汽車散熱器的比例正在逐 漸減小。目前正逐步占據(jù)市場的散熱器為新型的釬焊式鋁制散熱器。 銅和鋁是散熱器制造的常見材料。近年來，散熱器產(chǎn)品的改進主要是希望減輕重量，相同規(guī)格的 鋁制散熱器 比銅質散熱器 重量的三分之二 。 大部分生產(chǎn)廠家都傾向于鋁制散熱器的設計研究。散熱器的選取取決于汽車的型號以及發(fā)動機的功率等因素。中小功率的汽車大多采用的是鋁散熱器，汽車散熱器正朝著輕型、高效、經(jīng)濟的方向發(fā)展。 汽車散熱器的結構特點 汽車散熱器屬于汽車冷卻系統(tǒng)，由進水室、出水室及散熱器芯體等三部分構成， 如圖 所示 。 冷卻液在散熱器芯內(nèi)流動，空氣在散熱 器芯外通過。散熱器是一個熱交換器，在工作過程中，熱的冷卻液（水）向空氣散熱變冷，冷空氣則吸收冷卻液散出的熱量而升溫。 濟南大學畢業(yè)論文 2 1 進水室 2 散熱器芯體 3 出水室 圖 汽車散熱器外形 為使冷卻液通過，散熱器芯部應具備足夠的通流面積，同時也要具備足夠的空氣通流面積，讓足量的空氣通過芯體以帶走冷卻液傳給散熱器的熱量。為使熱量傳遞達到基本的平衡狀態(tài)，還要具有足夠的散熱面積，來完成冷卻液、空氣和散熱片之間的熱量交換。 散熱器芯部的結構形式主要有管帶式和管片式兩大類。管片式散熱器芯部是由許多細的冷卻 管和散熱片構成。冷卻管大多采用扁圓形截面，以減小空氣阻力，增加傳熱面積。管片式散熱器具有結構強度較好，并且油污和塵埃堵塞芯部的可能性較小的特點，多應用于震動較大、工況較惡劣的環(huán)境的汽車冷卻系統(tǒng)中。管帶式散熱器是由波紋狀散熱帶和散熱管相間排列經(jīng)焊接而成。與管片式散熱器相比，在同樣的條件下，管帶式散熱器散熱面積可以增加 12%左右，另外在散熱帶上開有擾動氣流的類似百葉窗的孔 [9]，以破壞流動空氣在散熱帶表面上的附著層，提高了散熱能力 [18]。開百葉窗波帶的散熱器傳熱效率較普通平片散熱片提高了 160%。與管片式散熱 器相比，管帶式散熱器散熱能力較高、質量較輕、制造工藝簡單、成本低，但是結構強度不如管片式散熱器，所以多應用于中小型車輛。 選題的目的及意義 隨著計算機輔助設計制造技術的廣泛應用，將這項技術應用到汽車散熱器的計算機設計分析是一個發(fā)展趨勢。散熱器設計是一個復雜的計算過程，所涉及的學科比較多，包括熱力學、流體力學、機械學等，設計參數(shù)比較多，包括結構參數(shù)和工況參數(shù)，在計濟南大學畢業(yè)論文 3 算過程中計算量很大。汽車產(chǎn)品更新?lián)Q代越來越快，對散熱器的設計要求也越來越高，因此，設計一款散熱器的設計軟件來減輕工作量，縮短設計周期是不可或缺 的。 本課題通過聯(lián)系汽車散熱器的結構性能進行了分析，通過 與 SQL SERVER 2021 設計一款管帶式汽車散熱器散熱性能分析的系統(tǒng)，并將計算結果存儲起來名，方便調用。本系統(tǒng)可以有效地減少設計人員的工作量、縮短設計周期、提高了產(chǎn)品的設計質量。為之后的工藝與工裝設計打下了基礎。 濟南大學畢業(yè)論文 4 2 散熱器傳熱性能分析及計算公式 汽車在正常行駛過程中，散熱器處于正常工作狀態(tài)，各項參數(shù)不隨時間的變化而變化，在計算過程中作如下假設：（ 1）忽略散熱器工作時的散熱損失；（ 2）視水和空氣的流量為常量 ；（ 3）管壁與流體內(nèi)都不存在軸向導熱；（ 4）水和空氣在換熱過程中沒有相變發(fā)生。具體分析計算過程如下所列。 傳熱面積計算 水側面積計算 散熱水管截面如圖 所示，其傳熱面積為 Fw，計算如下： Fw=截面周長水管長冷卻水管數(shù)目 111w )(2 NHWLF ????? （ ） 其中： FW—— 水側傳熱面積 [m2]； L1—— 水管橫截面長 [mm] W1—— 水管橫截面寬 [mm] H1—— 水管長 [mm] N1—— 水管數(shù)目 圖 散熱管截面形狀 氣側面積計算 FA=翅片單元周長翅片單元的有效寬度 /翅片內(nèi)距散熱片的層數(shù) 濟南大學畢業(yè)論文 5 2122A )4(22 NwHLLwwHHF ???????? （ ） 其中： AF —— 氣側傳熱面積 [m2] HH —— 翅片波高 [mm] w —— 翅片波距 [mm] LL —— 芯體厚度 [mm] 2N —— 氣側通道數(shù) 當量直徑的計算 把水利半徑相等的圓管直徑定義為非圓管的當量直徑 當量直徑計算在總流的有效截面上，流體與固體壁面的接觸長度稱為濕周 [3]，用字母 L 表示。 總流的有效截面積A 和濕周 L 之比定義為水力半徑，用字母 R 表示，即 R=A/L。 對于圓形截面的管道，其當量直徑用水力半徑表示時可表示為 d=4R，即圓形截面的管道幾何直徑為水力半徑的 4 倍。 與圓形管道相類比，非圓形截面管道的當量直徑 De也可以用 4 倍的水力半徑表示，即 UARD ??? 44e （ ） 式 中 : A:流體的流通截面積 。 U:濕周邊或熱周邊長。在計算阻力時，它是流體潤濕周邊；在傳熱計算時，是參與傳熱的周邊。 水側通道 (矩形 )當量直徑 )(2 44 1111w WL WLU AD ?? ????? （ ） 氣側通道當量直徑 散熱器傳熱過程中一次傳熱面與翅片形成通道的當量直徑 Dw： 22w422144HHwwHHwUAD????????? （ ） 對數(shù)平均溫差 △ tm的計算 濟南大學畢業(yè)論文 6 對數(shù)平均溫差 △ tm是指流體在整個熱交換器中 各處溫差的平均值。 流體在熱交換器內(nèi)流動有順流和逆流等流動方式，但由于受到空間等因素的限制 ,在工程應用中的熱交換器多采用錯流的、多流程的或者更為復雜方式的流動。 相比順流和逆流平均溫差的的計算，錯流和混流流動的計算比較復雜，不過通過一定的假設定義之后可以通過簡化的數(shù)學公式求出。常將這些流動方式的流體進出口溫度先按逆流算出對數(shù)平均溫差，然后乘以一定的修正系數(shù) ψ（ ~，查文獻獲得） ，在計算中一般取 。假設冷流體的進、出口溫度分別為 ta ta2，熱流體進、出口溫度分別為 tw tw2，則有 : 12211221m i nm a xm i nm a xln)()(ΨΔlnΨΔawawawawmmtttttttttttttt????????????????? （ ） 式中： △ tmax取 △ t′(△ t′=tw1ta2)和 △ t″(△t″=tw2ta1)兩者中的最大者，而△ tmin 取 △ t′和 △ t″兩者中的最小者。 流體物性參數(shù)的計算 定性溫度的計算 隨著溫度的變化相似準則數(shù)中的物性參數(shù)也會隨之變化，在計算過程中需要選取定性溫度作為溫度準則。在工程計算中，定性溫度的取法有一下三種： （ 1） 取 流體的平均溫度為定 性溫度； （ 2） 取壁面溫度為定性溫度； （ 3） 取流體和壁面的平均溫度為定性溫度。 對于油類等高粘度的流體，在加熱或冷卻過程中粘度會有很大的變化，此時若用流體進、出口的算術平均溫度作為定性溫度計算換熱系數(shù)，會出現(xiàn)較大的誤差。在散熱器中使用水作為流體，水的粘度不大，選取方法 （ 1） 來確定水的定性溫度。 （ 1） 水的定性溫度： 2/)( 21 ttt ?? （ ） 濟南大學畢業(yè)論文 7 （ 2） 空氣的定性溫度： 2/)( 21 aaa ttt ?? （ ） 物性參數(shù)多項式的計算 （ 1） 水的物性參數(shù)： 水的導熱系數(shù) λw,其單位為 [W/(m℃ ) ] 22336 10)( ??? ?????????? w ttt? （ ） 水的運動粘度 υw,其單位為 [m2 /s] 622437 10)3 6 7 1 6 4 3 3 ( ???? ??????????? w ttt? （ ） 水的普朗特數(shù) Prw,其單位為 2336 ?????????? ?? wr tttP （ ） 水的密度 ρw,其單位為 [kg/m3 ] 22336 ?????????? ??? w ttt? （ ） （ 2） 空氣物性參數(shù)： 空氣的導 熱系數(shù) λa ,其單位為 [W/(m℃ ) ] 222537 10)4 1 0 0 5 8 7 7 ( ???? ??????????? aaaa ttt? （ ） 空氣的運動粘度 υa,其單位為 [m2 /s] 622437 10) 7 1 8 1 6 2 ( ???? ???????????? aaaa ttt? （ ） 空氣的普朗特數(shù) Pra,其單位為 42638 ??????????? ??? aaawr tttP （ ） 空氣的密度 ρa,其單位為 [kg/m3 ] 2 9 1 9 6 7 2 32538 ??????????? ??? aaaa ttt? （ ） 努塞爾數(shù)的計算 努塞爾數(shù)是一 個反映對流傳熱強弱的無量綱數(shù) 。 定義為： Nu=hL/λ。 由公式可知努塞爾 數(shù) 是傳熱系數(shù) h 與特征長度 L 的乘積除以流體熱導率 λ所得的無量綱數(shù)。 其值可由相關文獻查得。 濟南大學畢業(yè)論文 8 水側努塞爾數(shù)的計算： (1)Rew≤2300時 ，流體屬于層流流動， Nu 由充分發(fā)展的定壁溫矩形槽理論解求得 : m inm a wu DDN ?? （ ） 式中：minmaxwwDD 是水管橫截面長寬之比。 （ 2）當 2300Rew≤ 10， 000 時，流動處于過渡狀態(tài)，使用格尼林斯基 (Gnielinski)公式計算 : )1(2/ )2/()1000( 3/2 ???? ???? rireu Pfi fPRN w （ ） （ 3）當 Rew10， 000 時，流動處于紊流狀態(tài)，用 petukhov 式計算水側表面?zhèn)鳠嵯禂?shù) : )1(2/)2/(3/2 ???????rirePffiPRNu w （ ） 對于式（ ）和式（ ）中的管內(nèi)摩擦系數(shù) fi由 Filonenko 式計算 : 2e 3 . 2 8 )ln( 1 . 5 8 wRf i ?? （ ） 層流狀態(tài)的換熱率又太低 ,散熱器在工作時水管里的流體一般處于過渡或紊流狀態(tài)，故在設計中只對層流和紊流狀態(tài)下的流體進行分 析計算。 氣側努塞爾數(shù)的計算公式為： 2 eaua RfN ?? 翅片效率 ηf 和翅片表面總效率 ηo的計算 散熱器的工作過程中冷熱流體之間的熱交換大部分是通過翅片進行的，只有小部分直接通過散熱管。在散熱器設計中，翅片傳熱面積大約為熱交換器總傳熱面積的67%~88%。當水流量和空氣流量不變時，改變翅片波距的大小可以得出散熱器散熱量濟南大學畢業(yè)論文 9 和空氣阻力隨波距變化的關系，如圖 為翅片波距對散熱性能的影響。 圖 翅片波距對散熱器熱性能的影響 由圖 可知，隨著翅片波距的增大，散熱 量隨之減小。當其他尺寸不變時，散熱器波距變小，則散熱面子隨之增加，散熱量也相應的增加。同時，隨著波距的增大，空氣阻力隨之減小。由此，適當?shù)牟捎幂^小的波距可以提高散熱量。在具體設計時，綜合考慮各種因素（如風阻），在不違背設計原則的前提下，可選取較小的波距。波距越小，氣側換熱系數(shù)越高，室外出風溫度隨之增加，空氣流量減小，但是，在波距