摘要：為了準確預測車輛機油冷卻器的壓降性能，建立了油冷器壓降的計算流體動力學（CFD）仿真模型并進行試驗對比研究。基于k-omega剪切應力傳輸（SST）湍流模型以及多孔介質模型對問題進行簡化建模，同時進行網格無關性驗證，對油冷器的水側流道進行流場仿真，獲得從進口到出口的靜壓降。與試驗數據對比，40L/min時，CFD預測的結果比試驗值低了10.1%，對油冷器進行總壓壓降分解及分析表明，內部通道對總壓降的貢獻最大，占比為65.2%。各個通道的流動比較平均，對于單個通道而言，除去進口分流頭和出口集流頭部分，中間的翅片區域主要沿長度方向流動，且流量比較均勻，進口分流頭存在渦流組織。

關鍵詞：油冷器；CFD；壓降性能；多孔介質

 

油冷器主要用于車輛、工程機械、船舶等發動機潤滑油或燃油的冷卻。產品的熱側是潤滑油或燃油，冷側是冷卻水或空氣。車輛在行駛過程中，各大潤滑系統中，潤滑油依靠油泵動力，經過機油冷卻器熱側通道，將熱量傳給機油冷卻器的冷側，而冷卻水或冷風則通過機油冷卻器冷側通道將熱量帶走，實現冷熱流體之間的熱交換，確保潤滑油處于最合適的工作溫度。油冷器的作用是對發動機潤滑油、自動變速箱潤滑油、動力轉向器潤滑油等進行冷卻。

隨著汽車行業的高速發展，排放法規不斷加嚴，油冷器產品不斷更新換代，客戶提出了更高的耐壓和耐高溫要求，并向輕量化、緊湊化、模塊化等方向進一步發展。疊片式的油冷卻器主要用于發動機上機油冷卻及變速箱上機油冷卻，此類產品的水道和油道設計在一起，結構更加緊湊，具有傳熱效率更高、安裝方便等優點，但此類產品對模具的技術要求很高，是目前油冷卻器的發展方向。在現階段，對油冷器的性能進行評估和預測具有重要的現實意義。

試驗是獲得油冷器壓降和傳熱性能最直接的方法[1]，但是在產品的設計開發及迭代優化階段，往往需要進行大量的方案驗證，大量的試驗過程會造成開發成本高、開發周期長。隨著計算流體動力學（ComputationalFluidDynamics,CFD）的發展，數值模擬技術已成為研究和開發汽車零部件的一種重要手段[2-5]。由于市場上油冷卻器結構復雜，精度要求高，需要大量的能源和資源進行精確模擬[6]，極大地影響了其優化周期。目前，對車載換熱器數值模擬技術的研究主要分為三種，第一種是基于經驗相關性的換熱器理論等效[7]。AYDIN等[8]使用近似公式來擬合換熱器性能指標與結構參數之間的關系。MORTEAN等[9]通過流量與傳熱性能的相關性來預測換熱器性能，但其模擬精度僅為20%左右。經驗相關式的高精度擬合依賴于大量的試驗結果或換熱器的全尺寸數值模擬，由于翅片結構參數和運行條件的不同，不同換熱器的通用性仍然存在問題。第二種方法是基于多孔介質模型的換熱器數值模擬等效[10]，其中換熱器等效主要用于流阻等效，其效率高但傳熱性能等效仍不準確，因此，主要根據試驗結果建立換熱器一維傳熱模型。ZHOU等[11]利用多孔介質模型模擬了換熱器的阻力特性。Du等[12]利用多孔介質模型簡化了具有交錯齒的板翅式換熱器內部流道。第三種方法是換熱器的多尺度等效，同時具有微觀翅片參數和宏觀性能參數[13]。蘇峰華等[14]通過微尺度單元模擬分析和全尺寸模型分析了整體傳熱性能。HUANG等[15]通過使用多尺度多孔介質模型提高了模擬的準確性。為了使試驗結果與實際更貼合，使用多孔介質模型簡化疊片式發動機機油冷卻器的水側流道，建立用于壓降計算的等效仿真模型。該模型和全細節模型相比，能夠大幅減少計算時間，同時能保證預測結果的精度，為下一步以壓降為目標的設計優化奠定了基礎。

1 試驗與仿真分析

1.1 試驗條件

準備3組油冷器的試驗樣件，樣件的外形如圖1所示。油冷器的底板安裝于長方體工裝上，其上方管連接的管道是水側進口，下方管連接的管道是水側出口，如圖2所示。

試驗流體為50%乙二醇與50%去離子水的防凍冷卻液，冷卻液的品牌為PrestoneDexcool，試驗溫度為103℃。采用內置的科里奧利流量計測量水側流量，T型熱電偶測量水側進出口溫度，微創（Viatran）IDP10（0～210kPa）壓力傳感器測量壓差。

1.2 試驗過程

水側的等溫壓降試驗設置103℃的水測溫度，調整體積流量到10L/min、22L/min、26L/min、35L/min，每個流量工況下記錄實際溫度、流量和靜壓壓降。3組樣件的試驗數據記錄如表1－表3所示。

1.3 仿真模擬

使用商業軟件STAR-CCM+進行水側的壓降仿真。STAR-CCM+軟件是由CD-adapco公司開發

的通用計算流體力學分析軟件，后被西門子公司收購。STAR-CCM+使用CD-adapco倡導的多面體網格，相比于原來的四面體網格，在保持相同計算精度的情況下，可以實現計算性能約3～10倍的提高。

1.3.1 基本理論

湍流模型使用的是k-omega剪切應力傳輸（ShearStressTransfer,SST）Menter模型[16]。k-omega模型是一種兩方程模型，求解湍流動能k和比耗散率omega（單位湍流動能的耗散率）的輸運方程，最終得到湍流渦粘性。標準k-omega湍流模型能夠較好地預測逆壓梯度，適合于低雷諾數流動，但是對于自由來流存在一些問題。因為k-epsilon模型對自由來流邊界條件不是很敏感，即逆壓梯度的預測較差，所以Menter在近壁處使用k-omega模型，而在遠離壁面的區域使用k-epslion模型，進而發展出k-omegaSST模型，使得k-omegaSST相對于k-omega來講更適應于自由來流[16]。k-omegaSST模型在航空航天工業中也得到了相當廣泛的應用，湍流模型應用于整個邊界層，能夠很好地解決粘性流動問題。對k-omega模型而言，μt的計算公式為

式中，μt為湍流渦粘性，N·s/m2；ρ為密度，kg/m3；k為湍流動能，m2/s2；T為湍流時間尺度，s。湍流動能和比耗散率的輸運方程[16]可以寫為

式中，ω為比耗散率；v為平均速度，m/s；μ為動力粘性，N·s/m2；σk、σω、β和β*為模型系數；Pk和Pω為乘積項，kg/m·s-3；fβ*為自由剪切修正因子；fβ為渦拉伸修正因子；Sk和Sω為用戶定義的源項；k0和ω0為環境湍流值。通過求解湍流動能k和比耗散率ω的輸運方程，最終得到湍流渦粘性。速度壓力場求解時，定常求解算法使用壓力-速度分離的有限體積法，動量和連續性方程的解通過預測-校正方法連接，

計算結果在每次迭代中使用SIMPLE算法進行更新。邊界條件為進口采用流量入口邊界，出口采用壓力出口邊界

1.3.2 模型分析

油冷器的幾何模型如圖3所示，只考慮水路。右邊的接管為水側的進口。左側的接管為水側的出口，中間夾層布置翅片。

抽取流體的區域如圖4所示，進出口延長至覆蓋試驗對應的靜壓測點位置，保證計算模型的靜壓探測面和試驗時的靜壓試驗位置一致。翅片區域使用各向異性正交多孔介質模型進行簡化。進口設為流量入口，出口設為靜壓為0的壓力出口。

1.3.3多孔介質模型

將翅片區域單獨取出進行多孔介質慣性和粘性阻力系數的計算，得到的阻力/長度-速度擬合線公式為

長度方向：

寬度方向：

式中，v為速度，m/s；L為壓降方向的長度，m；a和c分別為長度和寬度方向的慣性阻力系數，kg/m4；b和d分別為長度和寬度方向的粘性阻力系數，kg·m-3/s。

1.3.4網格及無關性分析

采用多面體加附面層網格的生成方法，網格的總單元數為6833648個，如圖5所示。多孔介質區域的物面部分不需要生成邊界層網格。這是因為計算多孔介質的慣性和粘性系數時，已經考慮了上下壁面阻力的影響。因此，在求解時只需要在壁面加“滑移”邊界條件，無需考慮邊界層，能夠大大減少總網格數量，提高計算效率。

通過對網格質量的檢查可以看出，網格質量較好，大部分網格單元的網格質量>0.5，所有網格單元的偏斜角<85°，且所有網格單元的體積變化>0.01。

對整體網格加密，并對邊界層網格高度方向加密，得到加密后的網格總單元數為11016311個。不同網格、相同流量工況下，計算得到的靜壓壓降對比如表4所示。在總網格數增加了61.2%的情況下，壓降變化在±1%之內，因此，為了模擬壓降基準網格已經足夠精細。

1.3.5計算設置

水路的流體介質為50%乙二醇與50%水的混合物。在流場模擬的時候采用等溫假設，即流體的屬性保持不變。計算溫度為103℃，此時流體的密度為1009.87kg/m3，粘度為0.00079Pa·s，CFD計算的流量工況選擇為20L/min、26L/min和31L/min。

2 靜壓壓降對比分析

2.1 試驗結果

3組試驗數據采用算數平均得到最終的壓降-流量數據點，使用過原點的二次多項式曲線擬合，最終得到的靜壓阻力線公式為

式中，x為體積流量，L/min；dp為靜壓壓降，Pa。

2.2計算結果

CFD計算得到的結果和試驗結果對比如圖6所示，實線是從計算的壓降點擬合得到的靜壓阻力曲線，其公式為

式中，x為體積流量，L/min；dp為靜壓壓降，Pa。

將CFD和試驗結果在各個流量下進行誤差對比，所得數據如表5所示。在10L/min時，CFD預測結果比試驗值低了13%，流量越大差別越小；在40L/min時，CFD預測結果比試驗值低了10.1%。對于油冷器產品在工程領域而言，10%左右的誤差在可以接受的范圍內。由于翅片的剛性較小，在加工裝配過程中易變形，導致最終的翅片覆蓋區域和CFD的分析模型不符。

3 總壓壓降分解

壓力分解示意和在26L/min的流量工況下，系統內部（不包括進出口延長段）的總壓壓力降分解占比如圖7、圖8所示。內部通道對總壓降的貢獻最大，占比為65.2%，其次為進口分流頭和出口集流頭，分別為16%和11.4%，進出口連接管對總壓降的貢獻最小，占比僅為3.9%和3.5%。

4 速度流場分析

通道1到通道5的通道位置示意如圖9所示。通道1、3和5的中間剖面速度云圖如圖10－圖12所示，其中右上為進口，左上為出口。各個通道的流動比較平均，對于單個通道而言，除去進口分流頭和出口集流頭部分，中間翅片區域的流動主要沿長度方向，且流動比較均勻。從進出口分流/集流頭的剖面速度場（見圖13）可以看出，右側的進口分流頭存在渦流組織。這是因為進分流頭的氣流速度較高，而氣流從分流頭進入各個通道需要較大的氣流轉折角，這必然會出現旋轉渦流現象。左側的出口集流頭能夠流暢地收集從通道內通過比較低速的流體，即出口集流頭的壓降明顯小于進口分流頭，這和上述壓降分解結果定性一致。

5 結論

基于k-omegaSST湍流模型，結合多孔介質模型，建立了車用疊片式油冷器壓降的計算流體力學仿真模型，建立了具備網格無關性的油冷器壓降計算模型，使用該模型預測的結果和試驗結果符合程度較好，誤差在可以接受的范圍內，故計算模型能夠用于油冷器內部壓力降和流場的分析。所選的油冷器內部通道的壓降最大，各個通道的流動比較平均且均勻。

參考文獻

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文章來源：汽車實用技術 ,Automobile Applied Technology  ,2023年15期