内燃机车散热器的新结构与散热性能

　　1 前言

　　冷却系统是内燃机车的重要组成部分，其作用是使机车维持在最佳工作温度。机车上的冷却问题是个极重要的问题，它直接影响着柴油机和传动装置的功率发挥、工作效率、可靠性，以及零部件的使用寿命。随着机车向高速大功率方向的发展，冷却技术的改进显得非常重要。散热器又是冷却系统的重要部件，其综合性能直接影响着冷却系统的冷却能力，对散热器单节结构进行改进，从而提高其散热性能也是提高冷却能力的一种途径。

　　本文提出了一种新型的散热器结构，并利用FLUENT软件对两种结构的散热器单元体进行了对比分析，通过对传热系数，散热面积等参数进行分析与对比，得出新结构具有更好的散热能力，更好的经济性、更小的体积的结论。

　　2 原有散热器的结构

　　DF7型机车柴油机冷却系统散热器的基本构造是冷却水在扁铜管中流动，在扁铜管外面焊有散热片以增加散热面积，散热片是带百叶窗的波纹片，这种结构的散热器通常称为管带式散热器。管带式散热器扁铜管表面是光滑的，宽度为16 mm。其FLUENT计算区域(即空气的流动区域)网格及其辅助平面如图1所示，辅助平面A，B的设立是为下面的流场和温度场的分析做辅助的。

 

 

图1  管带式散热器计算区域网格及其辅助平面图3新结构的散热器

 

　　从空气在扁铜管与散热片构成的流动区域内的流动性质出发，为了增强空气的扰动，对原有结构进行改进，散热片保持原结构不变，仍旧为带百叶窗的波纹片。在扁铜管上均匀布置一些能够增强空气扰动的扰动点(本文称为扰动增强结构)，扰动增强结构为直径3 mm的半球体，如图2所示，每个半球体的球心距离为5 mm，每一排扰动增强结构布置在两散热片所隔区域的中间，本文称其为强化管带式散热器。其FLUENT计算区域网格如图3所示。

 

　　4 基于FLUENT软件的两种结构的比较分析

　　计算流体力学软件FLUENT是散热器仿真分析的强大工具，但是在国内FLUENT应用于散热器的仿真和分析还不多见。本文对两种结构的速度场、温度场和传热系数的分析主要是借助FLUENT软件，通过建模仿真计算，得到了一系列相关参数。本文是针对DF7型机车柴油机冷却系统散热器的高温系统进行分析的，整个仿真和分析是在设定扁铜管进水温度为86℃，进气温度为60℃的工况下进行的。

 

 

　　4．1速度场的比较

　　从图4和图5不难看出，新结构靠近扁铜管表面的速度变化比较大，这是由于新结构有扰动增强结构的缘故，扰动增强结构使气流方向突变，从而形成紊流。扰动增强结构的使用克服了原结构靠近扁铜管表面气流速度变化小的现象，从而使散热能力增强。我们还可以观察辅助平面B的速度场等值线(图略)，扰动增强结构对平面B的影响比较小，但还是可以明显地看出它们的速度变化，新结构的空气流动明显优于原结构。

　　4．2温度场的比较

　　由辅助平面A的温度场等值线图(图6和图7)可以看出，新结构扁铜管表面空气的温度延伸明显地大于原结构，且温度分布等值线不如原结构光滑。这是由于扰动增强结构影响了表面的气流速度的均匀性，搅动换热效果明显，换热效率高，从而使新结构的换热效果增强。但是也容易使扁铜管表面某处的热应力集中而导致其使用寿命减少。

 

 

　　4．3传热系数的比较

　　根据计算结果，借助MATLAB我们得到了两种结构散热器传热系数与空气入口质量流速关系图，如图8所示。从图中可以看出，在相同工况即相同的空气入口质量流速时新结构的传热系数明显地大于原结构的传热系数。如当空气入口质量流速为11．5 kg(m²·s)时，原结构的传热系数为126．909 4w／(m²·K)，新结构则为146．305 6 w／(m²·K)。传热系数提高了15．28％，散热能力大大地增强了。如果取两种结构的传热系数相同，新结构的空气入口质量流速将减少，从而可以减少冷却风扇的运行功率。因而新结构的散热能力明显地强于原有结构。当空气入口质量流速为10～15 kg／(m²·s)时，传热系数差值最大。