汽车散热器散热性能分析软件系统开发.docx

1、汽车散热器散热性能分析软件系统开发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

2、重要部件，对散热器的要求也越来越高。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

3、器比铜质散热器重量的三分之二。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。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，同时也要具备足够的空气通流

4、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扰动气流的类似百叶窗

5、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，在计算过程中计算量很大。汽车产品更新换代越来越快，对散热器的设计要求也越来越高，因此，设计一款散热器

6、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。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

7、。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 （2.2）其中：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

8、。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

9、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（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、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t

10、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： （2.7）2.4.

11、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) （2.9）水的运动粘度w,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w,其单位为kg/m3 （2.12）（2）空气物性参数：空气的导热系数 a ,其单位为W/(m) （2.13）空气的运动粘度a,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a,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=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

12、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，Nu由充分发展的定壁温矩形槽理论解求得: （2.17）式中：是水管横截面长宽之比。（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）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f和翅片表面总效率o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

13、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

14、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

15、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= 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

16、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）式中： Q1：一次传热面所传递热量; Q2：二次传热面所

17、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f: （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

18、-ta），应将二次传热面积乘以一个系数f。翅片效率f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f进行求解： （2.25） 其中： m为， 为表面换热系数， 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）式中: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

19、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）式中: w：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）式中: 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/(m2s) ； 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）式中：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

20、容积的流动动能之比，即： （2.31）气侧表面摩擦系数f为： （2.32）式中：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， :；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

21、.33）式中：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）式中：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； oc：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（tfhtfc）取为对数平均温差tm，则得: （2.37）式（

22、2.27）可写为: （2.38） （2.39）式中：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

23、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3.3 Visual Basic 6.0 软件简介1991年美国微软公司推出了Visual Basic（面向对象与可视化程序设计，简称VB）,目前最新的版本是Visual B版本。Visual Basic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Visual Basic 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

24、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。Visual Basic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。3.4 SQL Server 2000简介SQL Server 2000是使用客户机/服务器体系结构的关系型数据库管理系统，SQL Server 2000分为企业版、标准版、个人版和开发版

25、四个版本。本系统使用的是SQL Server 2000企业版。SQL Server 2000提供的客户端组件包括：企业管理器、查询分析器、SQL Server 管理工具和向导、SQL Server 2000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SQL Server 2000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SQL Server 2000服

26、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）

27、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

28、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

29、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f。其中H1，LL，L 为散热器的定型尺寸。L1，w1，HH，w，f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

30、，迎风速度ufr，水流量Gw，空气流量GA，铝导热系数以及额定散热量Qed，安全系数aq 。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为止。（4）计算结果录入数据库。5.2.3设计流程图设计计算过程流程图如图5.3所示。软件运行流程图