汽车散热器散热性能分析软件系统开发文档格式.docx
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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；
（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）
其中：
FW——水侧传热面积[m2]；
L1——水管横截面长[mm]
W1——水管横截面宽[mm]
H1——水管长[mm]
N1——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
（2.2）
——气侧传热面积[m2]
——翅片波高[mm]
——翅片波距[mm]
——芯体厚度[mm]
——气侧通道数
2.2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）
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，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）
2.2.2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）
2.3对数平均温差△tm的计算
对数平均温差△tm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ψ（0.95~0.98，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、ta2，热流体进、出口温度分别为tw1、tw2，则有:
（2.6）
式中：
△tmax取△t′（△t′=tw1-ta2）和△t″（△t″=tw2-ta1）两者中的最大者，而△tmin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。
（1）水的定性温度：
（2.7）
（2）空气的定性温度：
2.4.2物性参数多项式的计算
（1）水的物性参数：
水的导热系数λw,其单位为[W/（m·
℃）]
（2.9）
水的运动粘度υw,其单位为[m2/s]
（2.10）
水的普朗特数Prw,其单位为
（2.11）
水的密度ρw,其单位为[kg/m3]
（2.12）
（2）空气物性参数：
空气的导热系数λa,其单位为[W/（m·
（2.13）
空气的运动粘度υa,其单位为[m2/s]
（2.14）
空气的普朗特数Pra,其单位为
（2.15）
空气的密度ρa,其单位为[kg/m3]
（2.16）
2.5努塞尔数的计算
努塞尔数是一个反映对流传热强弱的无量纲数。
定义为：
Nu=h·
L/λ。
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λ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）Rew≤2300时，流体属于层流流动，Nu由充分发展的定壁温矩形槽理论解求得:
（2.17）
是水管横截面长宽之比。
（2）当2300<
Rew≤10，000时，流动处于过渡状态，使用格尼林斯基（Gnielinski）公式计算:
（2.18）
（3）当Rew>
10，000时，流动处于紊流状态，用petukhov式计算水侧表面传热系数:
（2.19）
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）
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：
2.6翅片效率ηf和翅片表面总效率ηo的计算
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。
图2.3翅片波高对散热器热性能的影响
由图2.3所示，散热器的散热量随着翅片波高增加而减小，空气阻力也在变小。
改变吃漂泊高的大小时，若空气阻力增加一倍，则散热量仅增加30%左右。
翅片波高越大，换热系数相应的越低，在实际选取中，翅片的波高不能太高，相反的，若降低翅片波高，则能得到较大的散热量，但成本会很大，所以，散热效果能够保证的情况下可以适当的选取较高的波高。
在散热器的制造过程中，翅片与扁管连接为完整的钎焊，大部分热量通过扁管并由翅片传给冷流体。
当翅片被焊接在光管表面上以后，在由管内向管外传热的过程中，随着高度方向的逐渐下降，翅片温度与周围流体温度的差值在逐渐缩小，单位面积的换热量也在逐渐缩小，翅片表面积对增强换热的有效性在下降。
翅片效率原理图如图2.4所示。
翅片越高，其增加的面积对换热所起的作用就越小。
翅片效率η=翅片表面的实际散热量/假定翅片表面温度等于翅根温度时的散热量。
翅片效率的数值取决于翅片的形状、高度、厚度、材质等，主要取决于管外换热系数。
图2.4翅片效率原理图
翅片传热过程是由散热管管壁传递给翅片，然后由翅片传递给冷流体，故翅片又有“二次表面”之称。
而扁管的传热过程为直接传热。
二次传热面一般比一次传热面的传热效率要低一些，但实验证明，二次传热表面的散热能力对散热器的散热能力有极为重要的影响，特别是在二次传热表面上冲出一系列百叶窗孔，用来扰乱翅片表面的层流，可使传热性能大大提高。
管带式散热器的主要特点是具有二次传热面，如图2.5所示。
一次传热面Q1指水管壁面，二次传热面Q2指翅片的表面。
传热过程在两个传热面上进行，其总的传热量为一次传热面传热量Q1和二次传热面传热量Q2之和，即Q=Q1+Q2。
图2.5一次与二次传热面
（2.21）
（2.22）
Q1：
一次传热面所传递热量;
Q2：
二次传热面所传递热量;
F1：
一次传热面面积；
F2：
二次传热面面积；
h1：
一次传热面与空气间表面传热系数;
h2:
二次传热面与空气间表面传热系数;
Tw:
水管壁面温度;
Ta:
:
空气的温度;
Tm:
翅片表面平均温度。
沿翅片高度方向存在温度梯度，翅片根部的温度最高，为水管壁面温度tw，翅片的平均温度要低于tw。
由于翅片厚度较翅片高度方向要小得多，故在翅片壁厚方向温度梯度可以忽略。
为便于计算，对二次传热量作如下换算:
（2.23）
由式（2.22）与（式2.23）相比较可得出翅片效率ηf:
（2.24）
比较式（2.23）与式（2.24）可见，如果把二次传热面的传热温度看作和一次传热面的传热温度相等，都为（tw-ta），应将二次传热面积乘以一个系数ηf。
翅片效率ηf在数值上，等于二次传热面的实际平均温差和一次传热面的传热温差的比值。
对翅片效率ηf进行求解：
（2.25）
其中：
m为
，
α为表面换热系数，
λ为材料的导热系数，
f为翅片的厚度，
l为翅片上的传热距离。
总传热量为:
（2.26）
F=F1+F2，h=h1=h2，则:
（2.27）
2.7传热系数K的计算
传热系数K的计算过程中，各项常数都比较容易得出，传热系数的计算实质上是表面传热系数ha、hw的计算。
传热系数K的计算是一个相当复杂的问题，由于外界条件等的影响，各个因素稍微改变就会影响到传热系数的结果，计算只能借助于经验公式，使得结果和现实中的值有一定的偏差。
2.7.1热流体（水侧）表面传热系数hw的计算：
（2.28）
λw：
水的导热系数；
Dw：
水侧矩形通道的当量直径；
Nu：
努塞尔数；
2.7.2冷流体（气侧）的表面传热系数ha的计算：
（2.29）
ha:
冷流体（即空气侧）的表面传热系数，[w/（m2·
℃）]；
Cp：
空气侧的定压比热容，[J/（kg·
℃）]；
Ga：
空气质量流量，[kg/（m2·
s）]；
j：
表面传热因子，即无量纲的表面传热系数。
由柯尔朋（Colburn）类比律所定义的传热因子j的表达式为:
（2.30）
为热扩散率；
St：
斯坦登数，
。
摩擦因子f定义为:
在流动方向上，流体流经单位传热面积上的剪切力与单位容积的流动动能之比，即：
（2.31）
气侧表面摩擦系数f为：
（2.32）
Ac:
通流截面积;
△P:
散热器前后风侧压力差，由实验测量出；
Rea:
空气雷诺数，
；
δ为通流面积Ac与迎风面积Afr之比，
分别用无量纲表面传热因子j表示传热特性，表面摩擦系数f表示摩擦特性，由以上表达式可以看出，j越大，f越小，由此可见，若换热面在消耗很小小功率的条件下能够获得很大的传热效果，则说明换热面的传热性能越好。
j和f的值的选取是有多方面决定的，在进行计算时，要依据散热器翅片的形式、参数，以及制造厂试验所提供的Rea与j的关系图，Rea和f的关系图，查得j和f的值，进行传热和流体阻力计算。
风扇功率P：
（2.33）
Afr：
迎风面积。
2.8传热量的计算
管带式散热器中冷、热流体的传热方程式如下:
（2.34）
（2.35）
QC：
壁面对冷流体的放热量；
QH：
热流体对壁面的放热量；
hc：
冷流体与壁面间表面传热系数；
hh：
热流体与壁面间表面传热系数；
ηoc：
冷流体通道翅片表面总效率；
tfc：
冷流体的温度；
tfh：
热流体的温度；
在传热稳定的情况下有QC=QH=Q，并忽略翅片及隔板热阻，将式（2.34）与式（2.35）变换、相加可得：
（2.36）
在热交换器中，流体的温度通常是沿流程变化的，可将式（2.36）式中的两流体温差（tfh—tfc）取为对数平均温差Δtm，则得:
（2.37）
式（2.27）可写为:
（2.38）
（2.39）
：
冷通道总传热面积为基准时的传热系数；
热通道总传热面积为基准时的传热系数。
（2.40）
（2.41）
传热方程式为：
（2.42）
（2.43）
式中：
Q:
散热量，单位为[w]。
mw：
热流体（空气）的流量,单位为[kg/s]；
ma：
冷流体（水）的流量，单位为[kg/s]；
Cpa：
冷流体（空气）的定压比热容,单位为[kJ/（kg·
Cpw：
热流体（水）的定压比热容,单位为[kJ/（kg·
冷流体（空气）的热容流量,单位为[kJ/（s·
热流体（水）的热容流量，单位为[kJ/（s·
3系统设计
3.1模块设计
本系统共有用户管理、面积计算、散热器设计、散热器校核、信息查看、数据表、视频展示和帮助八个模块。
3.2系统框图
本系统总框图如图3.1所示。
包括了本系统所涉及的模块及功能。
图3.1系统框图
3.3VisualBasic6.0软件简介
1991年美国微软公司推出了VisualBasic（面向对象与可视化程序设计，简称VB）,目前最新的版本是VisualB版本。
VisualBasic有学习版、专业版和企业版三个版本，以满足不同的开发需求。
学习版适用于普通学习者即大多数使用VisualBasic开发一般Windows应用程序的人员；
专业版适用于计算机专业开发人员，包括了学习版的全部内容以及Internet空间开发工具之类的高级特性；
企业版除包含专业版全部的功能外，还有自动化控件管理器等工具，使得专业编程人员能够开发功能强大的组织分布式应用程序。
VisualBasic具有以下特点：
（1）面向对象；
（2）事件驱动；
（3）软件Software的集成式开发；
（4）结构化的程序设计语言；
（5）强大的数据库访问功能；
（6）支持对象的链接和嵌入技术；
（7）网络功能；
（8）多个应用程序向导；
（9）支持动态交换、动态链接技术；
（10）联机帮助功能。
3.4SQLServer2000简介
SQLServer2000是使用客户机/服务器体系结构的关系型数据库管理系统，SQLServer2000分为企业版、标准版、个人版和开发版四个版本。
本系统使用的是SQLServer2000企业版。
SQLServer2000提供的客户端组件包括：
企业管理器、查询分析器、SQLServer管理工具和向导、SQLServer2000命令提示管理工具等。
在本系统中使用企业管理器和查询分析器。
数据库的创建有两种方式：
通过Transact-SQL语句完成和直接在企业管理器中进行。
企业管理器是图形化的集成管理工具，提供了调用其他管理工具的途径，利用企业管理器可以实现SQLServer2000服务器的有效配置和管理。
企业管理器的采用的界面是管理控制台界面。
企业管理器按照属性结构的要求来管理多个SQLServer2000服务器。
通过企业管理器集成的各种管理工具，数据库成员可以方便的管理服务器、数据库、数据库对象、用户登录和许可、复制、安全性、调度任务、生成Web标签、生成SQL脚本等多种事务。
4运行界面设计
4.1系统主界面
系统主界面是整个系统的入口，主要由标题栏、菜单栏、工具栏、以及状态栏等组成。
系统的功能都是通过主界面来实现的。
主界面如图4.2。
图4.1系统主界面
系统主界面各部分介绍:
（1）标题栏：
位于窗口顶部包含窗口名称的水平栏，包含程序图标、“最小化”、“最大化”和“关闭”按钮。
（2）菜单栏：
在标题栏下的水平栏，包含文件、面积计算、散热器设计、查看、散热器校核、数据记录、视频展示和帮助8个菜单。
（3）工具栏：
菜单栏下一些常用的快捷方式。
工具栏内各按钮的命令都可执行相应的代码，并实现特定的功能。
各按钮功能如下：
用户注册，主要是将用户信息注册到数据库中。
面积计算类型。
点击此命令按钮后会自动弹出选择计算面积类型的窗体，可选择所计算面积的类型。
：
散热器设计。
点击按钮后会进入散热器设计界面进行散热器的设计计算。
散热器校核。
点此按钮后会进入散热器校核界面进行散热器的校核计算。
结果查看，可对录入数据库的数据进行查询。
数据表查看。
主要有机构参数表、设计信息表、工况参数表和用户信息表。
视频展示，对散热器的三维模型进行展示。
退出系统。
4.2系统登录界面
系统登录界面主要功能是在启动管理系统之前显示一个登录对话框，要要求操作员输入用户名和密码。
若用户名和密码正确则登录系统，否则无法访问系统。
登陆界面如图4.1所示。
图4.2登录界面
4.3注册界面
通过注册成为系统用户可以方便的管理自己的设计信息，注册界面如图4.3
图4.3注册界面
4.4散热器芯体查看界面
为了方便在计算过程中方便的了解散热器的芯体尺寸，在计算和校核过程中分别提供了芯体展示界面，如图4.4所示。
图4.4芯体简图
4.5软件系统视频展示界面
图4.5视频展示
4.6帮助界面
软件帮助中提供了软件的安装信息，以及软件的实用信息，使用步骤等，可以帮助用户更好的使用本软件。
帮助界面如图4.6。
图4.6帮助界面
5散热器设计计算过程
5.1散热面积计算
散热器散热面积分为气侧散热和水侧散热，运行的结果如图5.1和图5.2所示。
图5.1气侧面积计算
5.2水侧面积计算
5.2散热器设计计算
5.2.1初始条件
本系统设计的散热器有双排单波带散热器和单排单波带散热器两种类型。
散热器的结构参数包括：
芯体高度H1，芯体厚度LL，芯体长度L，散热管数N1，管截面长L1，管截面宽w1，翅片波高HH，翅片波距w，翅片厚度δf。
其中H1，LL，L为散热器的定型尺寸。
L1，w1，HH，w，δf在实际生产中已有相应规格，可以直接选取。
工况参数有：
进水温度tw1，进风温度ta1，水的定压比热Cpw，空气定压比热Cpa，空气压差qyPa，迎风速度ufr，水流量Gw，空气流量GA，铝导热系数λ以及额定散热量Qed，安全系数ηaq。
5.2.2计算过程
（1）根据输入的已知条件，计算出散热器的水侧面积和当量直径，以及气侧面积和当量直径。
也可通过上一模块调用结果。
（2）根据额定散热量、进水温度、进风温度、比热以及热量校核公式计算出出水温度、出风温度，进而计算水和风的定性温度及物性参数。
（3）计算各项传热系数，然后计算出散热量，计算结果与额定散热量相比较，若在规定误差范围内则输出结果并提示是否录入数据库，以方便以后的调用，不符合要求则需要通过改变相应的参数，直到计算结果符合要求
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