摘 要

本文对国内外机油冷却器的发展现状做了一个简单的介绍，最终选定散热能力比较好的板翅式机油冷却器作为本文的研究对象。本文首先对市场上的一款名为YC180H10/530Y（530-1013020A）型的板翅式机油冷却器做一定的简化处理，随后对简化后的一层散热芯片进行建模，导入到Gambit中使用Tet/hybrid混合四面体类型的网格进行网格划分，对固体区域和液体区域分开划分，网格总数约为84万；在Fluent模拟仿真中两组仿真实验均采用相同的速度进口和压力出条件，与空气相接触的面均视为绝热面以排除其他因素的影响，固液相接触的换热面在Fluent中均默认为耦合，在对Fluent仿真结果进行分析时，截取X₁=10mm,X₂=45mm,X₃=75mm;Y₁=5mm,Y₂=20mm,Y₃=35mm六个截面对两种冷却液在该处的速度场、压力场、温度场进行对比分析，其中重点分析X₂=45mm冷却液进出口截面和Y₂=20mm机油进出口截面各项性能参数的差异。

研究结果表明使用纳米流体可以显著提高机油冷却器的散热能力，在等效泵功的条件下，使用纳米流体能够使出口机油温度降低3-5K，而两者速度场、压力场较为相似；在板翅式机油冷却器内部速度场、压力场的变化并不是均匀的，在进出口区域变化较剧烈，温度场在换热芯片中变化剧烈。

关键词：板翅式机油冷却器；纳米流体；数值模拟；网格划分

Abstract

In this paper, the development of oil cooler at home and abroad is introduced, finally, the plate fin oil cooler with better cooling capacity is choosed as the research object. In the beginning ,We simplify the YC180H10 / 530Y (530-1013020A) type of plate fin oil cooler, then we build the model of a simplified layer of heat dissipation chip and put it into the Gambit meshing with Tet / hybrid mixed tetrahedral type . The total area is divided into 8.8 million grids. In the Fluent simulation, two group of experiments are carried out at the same speed and pressure conditions ;the surface contacted with the air are considered as insulated surface to exclude the impact of other factors and heat transfer interface between solid and liquid are set automatically. In the analysis of the results of Fluent simulation, the speed field, pressure field, temperature field in the interception X1 = 10mm, X = 45mm, X3 = 75mm; Y1 = 5mm, Y2 = 20mm, Y3 = 35mm of the two kinds of coolant are compared, the difference of characteristic parameters between X2 = 45mm inlet and outlet of cooling Liquid and Y2 = 20mm oil inlet and outlet cross section is focused.

The results show that the use of Nano-fluids can significantly improve the cooling capacity of the oil cooler. Under the condition of equivalent pump work, the use of Nano-fluids can reduce the temperature of the oil outlet by 3-5K, and the velocity field and pressure field change little. The change of the velocity field and the pressure field in the plate fin oil cooler is not uniform with the intense change occurring in the inlet and outlet area, and the temperature field changes drastically in the heat exchange chip.

Keywords: Plate fin oil cooler; Nano-fluids; Numerical simulation; Meshing

目录

摘要 I

Abstract II

第一章 绪论 1

1.1课题研究的背景和意义 1

1.2 板翅式机油冷却器的研究现状和发展趋势 1

1.3 纳米流体在散热器中的应用 4

1.4本文工作重点 5

1.5本章小结 6

第二章 流动传热数值模拟方法 7

2.1 流体力学基础 7

2.1.1流体流动传热的通用控制方程 7

2.1.2 湍流模型 8

2.2 数值模拟软件 9

2.2.1 UG软件介绍 9

2.2.2 Gambit软件介绍 10

2.2.3 Fluent软件介绍 11

2.3本章小结 13

第三章 机油冷却器的建模及网格划分 14

3.1 机油冷却器的三维建模 14

3.1.1 机油冷却器的选型 14

3.1.2 计算区域的确定 17

3.1.3机油冷却器的简化 19

3.2机油冷却器的网格划分 20

3.2.1 网格形状的确定以及网格划分 20

3.2.2 边界条件设置 23

3.2.3 网格单元质量 24

3.2.4 物理模型 25

3.3本章小结 25

第四章 数值模拟计算及结果分析 26

4.1. 残差曲线 26

4.2 温度场分析 27

2.3 压力场分析 32

4.4速度场分析 34

4.5 本章小结 38

第五章 结论与展望 39

5.1全文工作总结 39

5.2 展望 40

致谢 41

参考文献 42

第1章 绪论

1.1课题研究的背景和意义

当前在全世界能源持续紧张的情况下，各种能源问题正成为世界性难题，解决能源危机主要有两种方式：1.减少传统化石能源的使用率，开发新型能源；2.提高能源的利用效率。

近年来，因为发动机功率密度和热负荷的增加，现有车用换热器越来越不能满足要求，必须要进一步研究出尺寸更小、换热性能更强、结构更加紧凑的换热设备。冷却系统作为汽车用发动机的组成部分，作用是通过液体循环加上外部冷却的方式带走发动机燃烧放热产生的多余热量，保证发动机工作热环境比较良好，并提高发动机的使用寿命。如果冷却系统对发动机的冷却不足，发动机的各个零部件会在极为过热的条件下工作，零件的使用寿命会大大缩短；但是从另外一方面来说的话，如果发动机冷却过度，将造成发动机温度过低，整个发动机的燃油经济性降低，冷启动效果会很差；因此对发动机比较适度的冷却极为重要。为了满足大功率发动机高负荷换热要求，除了改善换热器的结构与设计，新型换热介质的研发已是当务之急。

发动机冷却能力的提升主要是主动和被动两个方向。主动措施包括加强扰流、机械辅助功率提升等等都需要消耗额外的功率；被动式措施主要包括对传热表面的扩伸延展如加入翅片，强化传热表面的处理，增强传热介质的传热能力等，这类方法主要是依靠自身的各种各样的特点来强化传热。目前在强化传热方面的研究很多，在主动措施领域内的各种强化均会增加整个传热系统的工程难度和造价，同时也会受到冷却器制作工艺的限制，可市场化和实用的价值不高；在被动措施领域在对散热材料的研究及工艺制作上也有较大的突破，主要就是新型传热器的结构设计、传热面积加大等变更，但是受到空间等方面的限制使的做这些改动成功运用的可能性不大。目前比较成功的对发动机冷却系统的提升是美国的研究团队做的一种叫纳米流体的传热介质。它能极为显著的提升冷却器的换热能力，却对冷却器其他方面的改动比较少，是目前市场潜力巨大的一种新兴科技。与传动介质相比，纳米流体具有无法比拟的优势，纳米流体传热性能好，稳定性高，不易于发生聚集而沉降，比如如果需要增加2倍冷却功率，传统的介质需要增加十倍的泵功才能达到以上效果，但是采用导热系数增大了3倍纳米流体，则基本不需要增加额外的泵功，其优势可见一斑。

1.2 板翅式机油冷却器的研究现状和发展趋势

伴随着日益增长的能源需求，以及工业、航空航天、汽车工程学的大力发展，热能已经成为生活中必不可少的一种能源方式，目前人类掌握的最成熟的能源的利用和转换方式就是对热能的控制和利用。从很久之前远古人类利用雷电获得火种烹饪食物到近些年来核能的大规模应用，都是利用放热吸热的来实现能量的转换利用；因此与热能利用相对应的便是对更加高效、紧凑、轻便的冷却器的研发，板翅式机油冷却器应运而生并成为研究重点。