【正文】 1 前言 隨著汽車(chē)制造業(yè)的迅速發(fā)展，汽車(chē)散熱器的使用量也隨之增加?；仡櫰?chē)散熱器的發(fā)展歷史，美國(guó)于 1901年在第二次汽車(chē)展覽會(huì)上展出了世界上第一個(gè)散熱器，英國(guó)于1904年開(kāi)始生產(chǎn)用于汽車(chē)的散熱器，日本 1935年在修配的基礎(chǔ)上產(chǎn)生了散熱器工業(yè)并且發(fā)展迅速。我國(guó)汽車(chē)散熱器發(fā)展比較緩慢，是隨著拖拉機(jī)和汽車(chē)工業(yè)的發(fā)展逐步發(fā)展起來(lái)的。汽車(chē)散熱器主要經(jīng)歷了管片式銅質(zhì)散熱器、管帶式銅質(zhì)散熱器、裝配式鋁質(zhì)散熱器、釬焊式鋁質(zhì)散熱器等幾個(gè)階段。 隨著汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速和功率的不斷提高，熱負(fù)荷也愈來(lái)愈 大，對(duì)冷卻系統(tǒng)的要求也越來(lái)越高，作為汽車(chē)水冷發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻系統(tǒng)的重要部件，對(duì)散熱器的要求也越來(lái)越高。 從整體來(lái)看，我國(guó)車(chē)用散熱器的技術(shù)水平、質(zhì)量狀況已基本能夠滿足國(guó)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(dǎo)產(chǎn)品。近年來(lái)，在我國(guó)，生產(chǎn)汽車(chē)散熱器的廠家相繼涌現(xiàn)出來(lái)，各個(gè)企業(yè)也設(shè)有專(zhuān)門(mén)的研究部門(mén)，可以根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)的功率、安裝尺寸等參數(shù)及工作環(huán)境等要求，設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)全新的產(chǎn)品。專(zhuān)業(yè)的團(tuán)隊(duì)加上先進(jìn)的生產(chǎn)線及檢測(cè)設(shè)備（如風(fēng)洞試驗(yàn)臺(tái) [16]、振動(dòng)試驗(yàn)臺(tái)檢測(cè)等），使國(guó)產(chǎn)散熱器的質(zhì)量得到明顯提高，進(jìn)口汽車(chē)散熱器的比例正在逐 漸減小。目前正逐步占據(jù)市場(chǎng)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(jiàn)材料。近年來(lái)，散熱器產(chǎn)品的改進(jìn)主要是希望減輕重量，相同規(guī)格的 鋁制散熱器 比銅質(zhì)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(shè)計(jì)研究。散熱器的選取取決于汽車(chē)的型號(hào)以及發(fā)動(dòng)機(jī)的功率等因素。中小功率的汽車(chē)大多采用的是鋁散熱器，汽車(chē)散熱器正朝著輕型、高效、經(jīng)濟(jì)的方向發(fā)展。 汽車(chē)散熱器的結(jié)構(gòu)特點(diǎn) 汽車(chē)散熱器屬于汽車(chē)?yán)鋮s系統(tǒng)，由進(jìn)水室、出水室及散熱器芯體等三部分構(gòu)成， 如圖 所示 。 冷卻液在散熱器芯內(nèi)流動(dòng)，空氣在散熱 器芯外通過(guò)。散熱器是一個(gè)熱交換器，在工作過(guò)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(jì)南大學(xué)畢業(yè)論文 2 1 進(jìn)水室 2 散熱器芯體 3 出水室 圖 汽車(chē)散熱器外形 為使冷卻液通過(guò)，散熱器芯部應(yīng)具備足夠的通流面積，同時(shí)也要具備足夠的空氣通流面積，讓足量的空氣通過(guò)芯體以帶走冷卻液傳給散熱器的熱量。為使熱量傳遞達(dá)到基本的平衡狀態(tài)，還要具有足夠的散熱面積，來(lái)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(jié)構(gòu)形式主要有管帶式和管片式兩大類(lèi)。管片式散熱器芯部是由許多細(xì)的冷卻 管和散熱片構(gòu)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(jié)構(gòu)強(qiáng)度較好，并且油污和塵埃堵塞芯部的可能性較小的特點(diǎn)，多應(yīng)用于震動(dòng)較大、工況較惡劣的環(huán)境的汽車(chē)?yán)鋮s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(kāi)有擾動(dòng)氣流的類(lèi)似百葉窗的孔 [9]，以破壞流動(dòng)空氣在散熱帶表面上的附著層，提高了散熱能力 [18]。開(kāi)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(zhì)量較輕、制造工藝簡(jiǎn)單、成本低，但是結(jié)構(gòu)強(qiáng)度不如管片式散熱器，所以多應(yīng)用于中小型車(chē)輛。 選題的目的及意義 隨著計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)制造技術(shù)的廣泛應(yīng)用，將這項(xiàng)技術(shù)應(yīng)用到汽車(chē)散熱器的計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)分析是一個(gè)發(fā)展趨勢(shì)。散熱器設(shè)計(jì)是一個(gè)復(fù)雜的計(jì)算過(guò)程，所涉及的學(xué)科比較多，包括熱力學(xué)、流體力學(xué)、機(jī)械學(xué)等，設(shè)計(jì)參數(shù)比較多，包括結(jié)構(gòu)參數(shù)和工況參數(shù)，在計(jì)濟(jì)南大學(xué)畢業(yè)論文 3 算過(guò)程中計(jì)算量很大。汽車(chē)產(chǎn)品更新?lián)Q代越來(lái)越快，對(duì)散熱器的設(shè)計(jì)要求也越來(lái)越高，因此，設(shè)計(jì)一款散熱器的設(shè)計(jì)軟件來(lái)減輕工作量，縮短設(shè)計(jì)周期是不可或缺 的。 本課題通過(guò)聯(lián)系汽車(chē)散熱器的結(jié)構(gòu)性能進(jìn)行了分析，通過(guò) 與 SQL SERVER 2022 設(shè)計(jì)一款管帶式汽車(chē)散熱器散熱性能分析的系統(tǒng)，并將計(jì)算結(jié)果存儲(chǔ)起來(lái)名，方便調(diào)用。本系統(tǒng)可以有效地減少設(shè)計(jì)人員的工作量、縮短設(shè)計(jì)周期、提高了產(chǎn)品的設(shè)計(jì)質(zhì)量。為之后的工藝與工裝設(shè)計(jì)打下了基礎(chǔ)。 濟(jì)南大學(xué)畢業(yè)論文 4 2 散熱器傳熱性能分析及計(jì)算公式 汽車(chē)在正常行駛過(guò)程中，散熱器處于正常工作狀態(tài)，各項(xiàng)參數(shù)不隨時(shí)間的變化而變化，在計(jì)算過(guò)程中作如下假設(shè)：（ 1）忽略散熱器工作時(shí)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?qū)?；?4）水和空氣在換熱過(guò)程中沒(méi)有相變發(fā)生。具體分析計(jì)算過(guò)程如下所列。 傳熱面積計(jì)算 水側(cè)面積計(jì)算 散熱水管截面如圖 所示，其傳熱面積為 Fw，計(jì)算如下： Fw=截面周長(zhǎng)水管長(zhǎng)冷卻水管數(shù)目 111w )(2 NHWLF ????? （ ） 其中： FW—— 水側(cè)傳熱面積 [m2]； L1—— 水管橫截面長(zhǎng) [mm] W1—— 水管橫截面寬 [mm] H1—— 水管長(zhǎng) [mm] N1—— 水管數(shù)目 圖 散熱管截面形狀 氣側(cè)面積計(jì)算 FA=翅片單元周長(zhǎng)翅片單元的有效寬度 /翅片內(nèi)距散熱片的層數(shù) 濟(jì)南大學(xué)畢業(yè)論文 5 2122A )4(22 NwHLLwwHHF ???????? （ ） 其中： AF —— 氣側(cè)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(cè)通道數(shù) 當(dāng)量直徑的計(jì)算 把水利半徑相等的圓管直徑定義為非圓管的當(dāng)量直徑 當(dāng)量直徑計(jì)算在總流的有效截面上，流體與固體壁面的接觸長(zhǎng)度稱(chēng)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(duì)于圓形截面的管道，其當(dāng)量直徑用水力半徑表示時(shí)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(lèi)比，非圓形截面管道的當(dāng)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(zhǎng)。在計(jì)算阻力時(shí)，它是流體潤(rùn)濕周邊；在傳熱計(jì)算時(shí)，是參與傳熱的周邊。 水側(cè)通道 (矩形 )當(dāng)量直徑 )(2 44 1111w WL WLU AD ?? ????? （ ） 氣側(cè)通道當(dāng)量直徑 散熱器傳熱過(guò)程中一次傳熱面與翅片形成通道的當(dāng)量直徑 Dw： 22w422144HHwwHHwUAD????????? （ ） 濟(jì)南大學(xué)畢業(yè)論文 6 對(duì)數(shù)平均溫差 △ tm的計(jì)算 對(duì)數(shù)平均溫差 △ tm是指流體在整個(gè)熱交換器中各處溫差的平均值。 流體在熱交換器內(nèi)流動(dòng)有順流和逆流等流動(dòng)方式，但由于受到空間等因素的限制 ,在工程應(yīng)用中的熱交換器多采用錯(cuò)流的、多流程的或者更為復(fù)雜方式的流動(dòng)。 相比順流和逆流平均溫差的的計(jì)算，錯(cuò)流和混流流動(dòng)的計(jì)算比較復(fù)雜，不過(guò)通過(guò)一定的假設(shè)定義之后可以通過(guò)簡(jiǎn)化的數(shù)學(xué)公式求出。常將這些流動(dòng)方式的流體進(jìn)出口溫度先按逆流算出對(duì)數(shù)平均溫差，然后乘以一定的修正系數(shù) ψ（ ~，查文獻(xiàn)獲得） ，在計(jì)算中一般取 。假設(shè)冷流體的進(jìn)、出口溫度分別為 ta ta2，熱流體進(jìn)、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(jì)算 定性溫度的計(jì)算 隨著溫度的變化相似準(zhǔn)則數(shù)中的物性參數(shù)也會(huì)隨之變化，在計(jì)算過(guò)程中需要選取定性溫度作為溫度準(zhǔn)則。在工程計(jì)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(duì)于油類(lèi)等高粘度的流體，在加熱或冷卻過(guò)程中粘度會(huì)有很大的變化，此時(shí)若用流體進(jìn)、出口的算術(shù)平均溫度作為定性溫度計(jì)算換熱系數(shù)，會(huì)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(lái)確定水的定性溫度。 （ 1） 水的定性溫度： 濟(jì)南大學(xué)畢業(yè)論文 7 2/)( 21 ttt ?? （ ） （ 2） 空氣的定性溫度： 2/)( 21 aaa ttt ?? （ ） 物性參數(shù)多項(xiàng)式的計(jì)算 （ 1） 水的物 性參數(shù)： 水的導(dǎo)熱系數(shù) λw,其單位為 [W/(m℃ ) ] 22336 10)8 4 9 5 4 8 1 ( ??? ?????????? w ttt? （ ） 水的運(yùn)動(dòng)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?cái)?shù) Prw,其單位為 2336 ?????????? ?? wr tttP （ ） 水的密度 ρw,其單位為 [kg/m3 ] 0 0 1107 5 6 0 1 0 7 22336 ?????????? ??? w ttt? （ ） （ 2） 空氣物性參數(shù)： 空氣的導(dǎo)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(yùn)動(dòng)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?cái)?shù) Pra,其單位為 7 0 7 4 9 2 7 2 0 42638 ??????????? ??? aaawr tttP （ ） 空氣的密度 ρa(bǔ),其單位為 [kg/m3 ] 2 9 1 9 6 7 2 32538 ??????????? ??? aaaa ttt? （ ） 努塞爾數(shù)的計(jì)算 努塞爾數(shù)是一 個(gè)反映對(duì)流傳熱強(qiáng)弱的無(wú)量綱數(shù) 。 定義為： Nu=hL/λ。 由公式可知努濟(jì)南大學(xué)畢業(yè)論文 8 塞爾數(shù) 是傳熱系數(shù) h 與特征長(zhǎng)度 L 的乘積除以流體熱導(dǎo)率 λ所得的無(wú)量綱數(shù)。 其值可由相關(guān)文獻(xiàn)查得 。 水側(cè)努塞爾數(shù)的計(jì)算： (1)Rew≤2300時(shí) ，流體屬于層流流動(dòng)， 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(zhǎng)寬之比。 （ 2）當(dāng) 2300Rew≤ 10， 000 時(shí)，流動(dòng)處于過(guò)渡狀態(tài)，使用格尼林斯基 (Gnielinski)公式計(jì)算 : )1(2/ )2/()1000( 3/2 ???? ???? rireu Pfi fPRN w （ ） （ 3）當(dāng) Rew10， 000 時(shí)，流動(dòng)處于紊 流狀態(tài)，用 petukhov 式計(jì)算水側(cè)表面?zhèn)鳠嵯禂?shù) : )1(2/)2/(3/2 ???????rirePffiPRNu w （ ） 對(duì)于式（ ）和式（ ）中的管內(nèi)摩擦系數(shù) fi 由 Filonenko 式計(jì)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(shí)水管里的流體一般處于過(guò)渡或紊流狀態(tài)，故在設(shè)計(jì)中只對(duì)層流和紊流狀態(tài)下的流體進(jìn)行分析計(jì)算。 氣側(cè)努塞爾數(shù)的計(jì)算公式為： 2 eaua RfN ?? 翅片效率 ηf和翅片表面總效率 ηo 的計(jì)算 散熱器的工作過(guò)程中冷熱流體之間的熱交換大部分是通過(guò)翅片進(jìn)行的，只有小部分濟(jì)南大學(xué)畢業(yè)論文 9 直接通過(guò)散熱管。在散熱器設(shè)計(jì)中，翅片傳熱面積大約為熱交換器總傳熱面積的67%~88%。當(dāng)水流量和空氣流量不變時(shí)，改變翅片波距的大小可以得出散熱器散熱量和空氣阻力隨波距變化的關(guān)系，如圖 為翅片波距對(duì)散熱性能的影響。 圖 翅片波距對(duì)散熱器熱性能的影響 由圖 ，隨著翅片波距的增大，散熱量隨之減小。當(dāng)其他尺寸不變時(shí)，散熱器波距變小，則散熱面子隨之增加，散熱量也相應(yīng)的增加。同 時(shí)，隨著波距的增大，空氣阻力隨之減小。由此，適當(dāng)?shù)牟捎幂^小的波距可以提高散熱量。在具體設(shè)計(jì)時(shí)，綜合考慮各種因素（如風(fēng)阻），在不違背設(shè)計(jì)