本發(fā)明屬于散熱總成熱平衡計算領(lǐng)域，具體涉及一種串并聯(lián)型式散熱總成熱平衡計算方法。

背景技術(shù)：

1、車輛動力系統(tǒng)的良好散熱是保證車輛正常運行的必要條件，動力系統(tǒng)的散熱需求主要源于發(fā)動機的進氣、水和系統(tǒng)機油。中冷器、水散熱器和油散熱器統(tǒng)稱為動力系統(tǒng)散熱總成。發(fā)動機的進氣冷卻依靠的是中冷器，外界空氣增壓后溫度和壓力升高，經(jīng)過中冷器降溫，再進入發(fā)動機，避免發(fā)動機進氣溫度過高影響正常運行。發(fā)動機工作過程中會產(chǎn)生大量的熱量，為了使發(fā)動機維持在正常的工作溫度范圍，一般采用水進行液冷冷卻，因此采用水散熱器對吸收完發(fā)動機熱量的高溫水進行降溫。動力系統(tǒng)運行過程中需要機油進行冷卻和潤滑，如果不及時地冷卻，會導致冷卻和潤滑性能降低，車輛的動力性能下降，因此采用油散熱器對高溫機油進行冷卻。

2、散熱器的布置方式會直接影響散熱總成的散熱性能和流道阻力，傳統(tǒng)的三串聯(lián)布置方式雖然設(shè)計簡單，但是帶來了巨大的散熱總成冷卻風阻力，難以匹配合適的風扇。串并聯(lián)式布置方式，即水散熱器與油散熱器串聯(lián)，再和空空中冷器并聯(lián)，使散熱總成更加緊湊，降低了冷卻風阻力。然而動力系統(tǒng)散熱總成串并聯(lián)布置方式面臨著阻力和流量的匹配計算困難，目前現(xiàn)有的熱平衡計算技術(shù)存在不足之處使得這種型式的計算存在困難，并且存在較大誤差，具體而言，其一：未能實現(xiàn)中冷器、油散熱器、水散熱器的冷卻風流量的準確分配計算，導致各散熱模塊空氣流量計算誤差較大。其二：未能實現(xiàn)散熱總成的冷卻風流量、流動阻力與風扇特性的準確匹配，導致冷卻風流量計算誤差較大。其三：未能全面考慮物性參數(shù)、換熱溫差修正和翅片效率變化對計算的影響，導致熱平衡計算誤差較大。

3、因此，本發(fā)明提出了串并聯(lián)型式散熱總成結(jié)構(gòu)及熱平衡計算方法，使散熱總成的冷卻風阻力與風扇提供的冷卻風流量完美匹配，為設(shè)計計算提供了便利，提升了系統(tǒng)熱平衡參數(shù)計算精度。

4、現(xiàn)有技術(shù)缺點：1)未能實現(xiàn)串并聯(lián)混合布置熱平衡計算；2)未能實現(xiàn)與風扇的匹配熱平衡計算；3)計算誤差較大，未能全面考慮物性參數(shù)、換熱溫差修正和翅片效率變化對計算的影響。

技術(shù)實現(xiàn)思路

1、本發(fā)明目的是為克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供串并聯(lián)型式散熱總成結(jié)構(gòu)熱平衡計算方法。

2、具體技術(shù)方案如下：

3、串并聯(lián)型式散熱總成結(jié)構(gòu)，包括油散熱器、水散熱器和中冷器；油散熱器的底部設(shè)置水散熱器，水散熱器的另一端設(shè)置中冷器。

4、優(yōu)選地，一種串并聯(lián)型式散熱總成熱平衡計算方法，包括以下步驟：

5、步驟s1：輸入散熱總成中各散熱器的芯體尺寸、翅片型式、翅片尺寸結(jié)構(gòu)參數(shù)，其中下標c、h分別表示散熱器的低溫側(cè)和高溫側(cè)；

6、步驟s2：輸入流經(jīng)各散熱器的冷熱流體參數(shù)：油散熱側(cè)機油流量mo、水散熱側(cè)水流量mw、中冷器熱側(cè)進氣量mq、油散熱側(cè)機油進口溫度t11′、水散熱側(cè)水進口溫度t21′、中冷器熱側(cè)進口溫度t31′、中冷器熱側(cè)出口溫度t31″、冷卻風的進口溫度ta；

7、步驟s3：假設(shè)通過油散熱器和水散熱器的冷卻風風量m12、假設(shè)油散的散熱量q1j、假設(shè)水散的散熱量q2j，計算油散熱側(cè)機油出口溫度t11″、油散冷側(cè)出口溫度t12″，

8、

9、

10、其中，co、c12分別是機油和油散冷側(cè)冷卻風的比熱容；

11、步驟s4：水散熱側(cè)水出口溫度t21″、水散冷側(cè)冷卻風的進口溫度t22′、水散冷側(cè)冷卻風的進口溫度t22″：

12、

13、t22′＝t12″

14、

15、其中，cw、c22分別是水和冷卻風的比熱容；

16、步驟s5：根據(jù)油散熱器和水散冷側(cè)和熱側(cè)的進出口溫度計算得到各工質(zhì)的定性溫度，定性溫度用于確定各工質(zhì)的物性參數(shù)，油散熱側(cè)機油定性溫度t11、油散冷側(cè)冷卻風定性溫度t12、水散熱側(cè)水定性溫度t21、水散冷側(cè)冷卻風定性溫度t22：

17、

18、

19、

20、

21、步驟s6：根據(jù)油散的進出口溫度，計算油散的p1、r1值，查p-r圖得到溫差修正系數(shù)n1；根據(jù)水散的進出口溫度，計算水散的p2、r2值，查p-r圖得到溫差修正系數(shù)n2：

22、

23、

24、

25、

26、式中，t’21表示水散熱側(cè)進口溫度；t’12表示油散冷側(cè)進口溫度；t”12表示油散冷側(cè)出口溫度；t”21表示水散熱側(cè)出口溫度；t”11表示油散熱側(cè)出口溫度；t’11表示油散熱側(cè)進口溫度；

27、步驟s7：根據(jù)查到的溫差修正系數(shù)n1和n2，分別計算油散和水散冷、熱兩側(cè)的溫差δt1、δt2，采用平均對數(shù)溫差公式進行計算：

28、

29、

30、步驟s8：根據(jù)油散和水散的冷、熱側(cè)各工質(zhì)的定性溫度，確定各工質(zhì)的物性參數(shù)，分別計算油散熱側(cè)和冷側(cè)的工質(zhì)流速u11、u12，分別計算水散熱側(cè)和冷側(cè)的工質(zhì)流速u21、u22：

31、

32、

33、

34、

35、其中，ρo、ρ12、ρw和ρ22分別是油散熱側(cè)機油的密度、油散冷側(cè)冷卻風的密度、水散熱側(cè)水的密度和水散冷側(cè)冷卻風的密度；

36、步驟s9：根據(jù)油散和水散的冷、熱側(cè)各工質(zhì)的定性溫度，確定各工質(zhì)的物性參數(shù)，結(jié)合得到的工質(zhì)流速，分別計算油散熱側(cè)和冷側(cè)的工質(zhì)流動雷諾數(shù)re11、re12，分別計算水散熱側(cè)和冷側(cè)的工質(zhì)流動雷諾數(shù)re21、re22：

37、

38、

39、

40、

41、其中，dh11、dh12、dh21和dh22分別是油散熱側(cè)翅片的水力直徑、油散冷側(cè)翅片的水力直徑、水散熱側(cè)翅片的水力直徑和水散冷側(cè)翅片的水力直徑；μ11、μ12、μ21和μ22分別是油散熱側(cè)機油的動力粘度、油散冷側(cè)冷卻風的動力粘度、水散熱側(cè)水的動力粘度和水散冷側(cè)冷卻風的動力粘度；

42、步驟s10：根據(jù)油散的冷、熱側(cè)各翅片的結(jié)構(gòu)尺寸參數(shù)，結(jié)合計算得到的雷諾數(shù)，分別計算熱側(cè)和冷側(cè)的j因子j11、j12，和f因子f11、f12：

43、j11＝0.242(a11/dh11)^(-0.322)*(δf11/dh11)^(0.089)*re11^(-0.368)

44、j12＝0.242(a12/dh12)^(-0.322)*(δf12/dh12)^(0.089)*re12^(-0.368)

45、f11＝1.136(a11/dh11)^(-0.781)*(δf11/dh11)^(0.534)*re11^(-0.198)

46、f12＝1.136(a12/dh12)^(-0.781)*(δf12/dh12)^(0.534)*re12^(-0.198)

47、其中，a11、a12分別是油散熱側(cè)和冷側(cè)的翅片高度；δ11、δ12分別是油散熱側(cè)和冷側(cè)的翅片厚度；

48、步驟s11：根據(jù)水散的冷、熱側(cè)各翅片的結(jié)構(gòu)尺寸參數(shù)，結(jié)合計算得到的雷諾數(shù)，分別計算熱側(cè)和冷側(cè)的傳熱因子j因子j21、j22，和摩擦系數(shù)f因子f21、f22：

49、j21＝0.242(a21/dh21)^(-0.322)*(δ21/dh21)^(0.089)*re21^(-0.368)

50、j22＝0.242(a22/dh22)^(-0.322)*(δ22/dh22)^(0.089)*re22^(-0.368)

51、f21＝1.136(a21/dh21)^(-0.781)*(δ21/dh21)^(0.534)*re21^(-0.198)

52、f22＝1.136(a22/dh22)^(-0.781)*(δ22/dh22)^(0.534)*re22^(-0.198)

53、其中，a21、a22分別是水散熱側(cè)和冷側(cè)的翅片高度；δ21、δ22分別是水散熱側(cè)和冷側(cè)的翅片厚度；

54、步驟s12：根據(jù)油散和水散的冷、熱側(cè)工質(zhì)的流量，結(jié)合各通道自由流通面積，分別計算油散熱側(cè)和冷側(cè)的工質(zhì)質(zhì)量流速g11、g12，分別計算水散熱側(cè)和冷側(cè)的工質(zhì)質(zhì)量流速g21、g22：

55、

56、

57、

58、

59、其中，m12表示通過油散和水散冷卻風風量，mw表示水散熱側(cè)水泵流量，m0表示油散熱側(cè)機油流量，f1h表示油散熱側(cè)的自由流通面積，f1c表示油散冷側(cè)的自由流通面積，f2h表示水散熱側(cè)的自由流通面積，f2c表示水散冷側(cè)的自由流通面積；

60、步驟s13：根據(jù)油散和水散冷、熱側(cè)工質(zhì)的物性參數(shù)，結(jié)合計算得到的j因子和質(zhì)量流速，分別計算油散熱側(cè)和冷側(cè)的傳熱系數(shù)α11、α12，分別計算水散熱側(cè)和冷側(cè)的傳熱系數(shù)α21、α22：

61、

62、

63、

64、

65、其中，cp11、cp12、cp21和cp22分別是油散熱側(cè)工質(zhì)的定壓比熱容、油散冷側(cè)工質(zhì)的定壓比熱容、水散熱側(cè)工質(zhì)的定壓比熱容和水散冷側(cè)工質(zhì)的定壓比熱容；pr11、pr12、pr21和pr22分別是油散熱側(cè)工質(zhì)的普朗特數(shù)、油散冷側(cè)工質(zhì)的普朗特數(shù)、水散熱側(cè)工質(zhì)的普朗特數(shù)和水散冷側(cè)工質(zhì)的普朗特數(shù)；

66、步驟s14：根據(jù)油散和水散的冷、熱側(cè)的傳熱系數(shù)和結(jié)構(gòu)參數(shù)，分別計算油散熱側(cè)和冷側(cè)的翅片效率ηf11、ηf12；分別計算水散熱側(cè)和冷側(cè)的翅片效率ηf21、ηf22：

67、

68、

69、

70、

71、其中，h11、h12、h21和h22分別是油散熱側(cè)、冷側(cè)和水散熱側(cè)、冷側(cè)的翅高；p11、p12、p21和p22分別是油散熱側(cè)、冷側(cè)和水散熱側(cè)、冷側(cè)的翅片截面周長；λ11、λ12、λ21和λ22分別是油散熱側(cè)、冷側(cè)和水散熱側(cè)、冷側(cè)的翅片導熱系數(shù)；s11、s12、s21和s22分別是油散熱側(cè)、冷側(cè)和水散熱側(cè)、冷側(cè)的翅片截面面積；

72、步驟s15：根據(jù)油散的冷、熱側(cè)的傳熱系數(shù)和結(jié)構(gòu)參數(shù)，結(jié)合計算得到的冷熱側(cè)溫差和翅片效率，計算油散的散熱量q1s，比較步驟s3所假設(shè)的油散散熱量q1j與計算得到的q1s，若|q1s-q1j|＜0.01kw，則步驟s3假設(shè)正確，q1s即為油散的散熱能力計算結(jié)果，反之重新假設(shè)：

73、

74、步驟s16：根據(jù)水散的冷、熱側(cè)的傳熱系數(shù)和結(jié)構(gòu)參數(shù)，結(jié)合計算得到的冷熱側(cè)溫差和翅片效率，計算水散的散熱量q2s，比較步驟s3所假設(shè)的水散散熱量q2j與計算得到的q2s，若|q2s-q2j|＜0.01kw，則步驟s3假設(shè)正確，q2s即為水散的散熱能力計算結(jié)果，反之重新假設(shè)：

75、

76、步驟s17：根據(jù)油散和水散的冷、熱側(cè)的f因子計算結(jié)果，結(jié)合油散和水散的冷、熱側(cè)結(jié)構(gòu)參數(shù)和物性參數(shù)，分別計算油散的熱側(cè)和冷側(cè)工質(zhì)流動阻力δp11、δp12，分別計算水散的熱側(cè)和冷側(cè)工質(zhì)流動阻力δp21、δp22

77、

78、

79、

80、

81、其中，l11、l12、l21和l22分別是油散熱側(cè)、冷側(cè)、水散熱側(cè)和冷側(cè)的工質(zhì)流動方向長度；

82、步驟s18：由于油散和水散先串聯(lián)布置，再與中冷器并聯(lián)，因此中冷器冷側(cè)的冷卻風阻力δp32等于冷卻風通過油散和水散的總阻力：

83、δp32＝δp12+δp22

84、步驟s19：根據(jù)中冷器冷側(cè)的f因子f32、冷側(cè)雷諾數(shù)re32、冷卻風阻力δp32、可以反推中冷器冷側(cè)冷卻風的流速u32：

85、f32＝1.136(a32/dh32)^(-0.781)*(δf32/dh32)^(0.534)*re32^(-0.198)

86、

87、

88、

89、其中，ρ32是中冷器冷側(cè)冷卻風的密度；μ32是中冷器冷側(cè)冷卻風的動力粘度；dh32、l32、a32和δ32分別是是中冷器冷側(cè)翅片的水力直徑，冷側(cè)工質(zhì)流動長度、翅片高度和翅片厚度；

90、步驟s20：根據(jù)中冷器的結(jié)構(gòu)參數(shù)，結(jié)合得到的冷側(cè)冷卻風流速，計算中冷器冷側(cè)的冷卻風風量m3：

91、m3＝ρ32u32f3c

92、其中，ρ32是中冷器冷側(cè)冷卻風的密度；μ32是中冷器冷側(cè)冷卻風的動力粘度，f3c表示中冷器冷側(cè)自由流通面積；

93、步驟s21：根據(jù)假設(shè)的油散和水散冷側(cè)冷卻風風量，結(jié)合反推計算得到的中冷器冷側(cè)冷卻風風量，計算得到通過動力系統(tǒng)散熱總成的冷卻風總風量ma；輸入冷卻風通過動力系統(tǒng)的動力艙和格柵等阻力數(shù)據(jù)δpother，計算得到通過動力系統(tǒng)散熱總成的冷卻風總阻力δpa:

94、ma＝m12+m3

95、δpa＝δp12+δp22+δpother＝δp32+δpother

96、其中，δp32表示中冷器冷側(cè)冷卻風阻力，δp12表示油散冷側(cè)冷卻風阻力，δp22表示水散冷側(cè)冷卻風阻力，m12表示通過油散和水散冷卻風風量，m3表示通過中冷器冷卻風風量；

97、步驟s22：冷卻風通過風扇抽吸進入動力系統(tǒng)散熱總成，而靜壓與風量需要滿足風扇的特性曲線，假設(shè)有x風扇，因此判斷由步驟s3假設(shè)的油散和水散風量所計算得到的冷卻風總風量/x，與冷卻風總阻力與是否滿足特性曲線，如果滿足，則步驟s3假設(shè)正確，繼續(xù)計算，反之，則重新假設(shè)步驟s3通過油散和水散的冷卻風風量；

98、步驟s23：假設(shè)中冷器的散熱量q3j，計算中冷器冷側(cè)冷卻風出口溫度t32″:

99、

100、其中，ta表示冷卻風的進口溫度；q3j表示中冷器的散熱量；c3a表示中冷器冷側(cè)冷卻風的比熱容；m3表示中冷器冷側(cè)的冷卻風風量；

101、步驟s24：根據(jù)中冷器冷側(cè)和熱側(cè)的進出口溫度計算得到各工質(zhì)的定性溫度，中冷器熱側(cè)定性溫度t31、中冷器冷側(cè)冷卻風定性溫度t32:

102、

103、

104、步驟s25：根據(jù)中冷器的進出口溫度，計算中冷器的p3、r3值，查p-r圖得到溫差修正系數(shù)n3：

105、

106、

107、其中，t32″中冷器冷側(cè)冷卻風出口溫度，t31′表示中冷器熱側(cè)進口溫度、t31″表示中冷器熱側(cè)出口溫度，t’32表示中冷器冷側(cè)冷卻風進口溫度；

108、步驟s26：根據(jù)查到的溫差修正系數(shù)n3，計算中冷器冷、熱兩側(cè)的溫差δt3:

109、

110、步驟s27：根據(jù)中冷器的冷、熱側(cè)各工質(zhì)的定性溫度，確定各工質(zhì)的物性參數(shù)，分別計算中冷器熱側(cè)和冷側(cè)的工質(zhì)流速u31、u32:

111、

112、

113、其中，ρq、ρ32分別是中冷器熱側(cè)空氣的密度、中冷器冷側(cè)冷卻風的密度；

114、步驟s28：根據(jù)中冷器的冷、熱側(cè)各工質(zhì)的定性溫度，確定各工質(zhì)的物性參數(shù)，結(jié)合得到的工質(zhì)流速，分別計算中冷器熱側(cè)和冷側(cè)的工質(zhì)流動雷諾數(shù)re31、re32：

115、

116、

117、其中，μ31、μ32分別是中冷器熱側(cè)空氣的動力粘度、中冷器冷側(cè)冷卻風的動力粘度；

118、步驟s29：根據(jù)中冷器的冷、熱側(cè)各翅片的結(jié)構(gòu)尺寸參數(shù)，結(jié)合計算得到的雷諾數(shù)，分別計算熱側(cè)和冷側(cè)的j因子j31、j32，和f因子f31、f32:

119、j31＝0.242(a31/dh31)^(-0.322)*(δ31/dh31)^(0.089)*re31^(-0.368)

120、

121、f31＝1.136(a31/dh31)^(-0.781)*(δ31/dh31)^(0.534)*re31^(-0.198)

122、

123、其中，a31是中冷器熱側(cè)的翅片高度；δ31是中冷器熱側(cè)的翅片厚度；

124、步驟s30：根據(jù)中冷器的冷、熱側(cè)工質(zhì)的流量，結(jié)合各通道自由流通面積，分別計算中冷器熱側(cè)和冷側(cè)的工質(zhì)質(zhì)量流速g31、g32:

125、

126、

127、式中，m3表示中冷器冷側(cè)的冷卻風風量，mq表示中冷器熱側(cè)進氣量，f3h表示中冷器熱側(cè)的自由流通面積；

128、步驟s31：根據(jù)中冷器冷、熱側(cè)工質(zhì)的物性參數(shù)，結(jié)合計算得到的j因子和質(zhì)量流速，分別計算中冷器熱側(cè)和冷側(cè)的傳熱系數(shù)α31、α32:

129、

130、

131、其中，cp31、cp32分別是中冷器熱側(cè)工質(zhì)的定壓比熱容、中冷器冷側(cè)工質(zhì)的定壓比熱容；pr31、pr32分別是中冷器熱側(cè)工質(zhì)的普朗特數(shù)、中冷器冷側(cè)工質(zhì)的普朗特數(shù)；

132、步驟s32：根據(jù)中冷器的冷、熱側(cè)的傳熱系數(shù)和結(jié)構(gòu)參數(shù)，分別計算中冷器熱側(cè)和冷側(cè)的翅片效率ηf31、ηf32:

133、

134、

135、其中，h31、h32分別是中冷器熱側(cè)、冷側(cè)的翅高；p31、p32分別是中冷器熱側(cè)、冷側(cè)的翅片截面周長；λ31、λ32分別是中冷器熱側(cè)、冷側(cè)的翅片導熱系數(shù)，w·m-1·k-1；s31、s32分別是中冷器熱側(cè)、冷側(cè)的翅片截面面積；

136、步驟s33：根據(jù)中冷器的冷、熱側(cè)的傳熱系數(shù)和結(jié)構(gòu)參數(shù)，結(jié)合計算得到的冷熱側(cè)溫差，計算中冷器的散熱量q3s，比較步驟s23所假設(shè)的中冷器散熱量q3j與計算得到的q3s，若|q3s-q3j|＜0.01kw，則步驟s23假設(shè)正確，q3s即為中冷器的散熱能力計算結(jié)果，反之重新假設(shè):

137、

138、其中，α31表示中冷器熱側(cè)的傳熱系數(shù)；a3h表示中冷器熱側(cè)的換熱面積，α32表示中冷器冷側(cè)的傳熱系數(shù)；a3c表示中冷器冷側(cè)的換熱面積；δt3表示中冷器冷、熱兩側(cè)的溫差；

139、步驟s34：根據(jù)中冷器熱側(cè)的f因子計算結(jié)果，結(jié)合中冷器熱側(cè)結(jié)構(gòu)參數(shù)和物性參數(shù)，計算中冷的熱側(cè)工質(zhì)流動阻力δp31：

140、

141、其中，l31是中冷器熱側(cè)的工質(zhì)流動方向長度，dh31表示中冷器熱側(cè)翅片的水力直徑，ρq表示中冷器熱側(cè)空氣的密度，μ31表示中冷器熱側(cè)空氣的動力粘度；

142、步驟s35：重復迭代步驟s3、步驟s23，驗證步驟s15、步驟s16、步驟22、步驟s33，將最終計算得到的散熱總成熱平衡計算結(jié)果，包括油散、水散和中冷器的散熱量，冷卻風流量，各散熱器的冷側(cè)和熱側(cè)阻力數(shù)據(jù)。

143、優(yōu)選地，常見散熱總成包括中冷器、油散熱器、水散熱器和風扇。

144、優(yōu)選地，油散熱器簡稱油散、水散熱器簡稱水散。

145、本發(fā)明串并聯(lián)型式散熱總成結(jié)構(gòu)熱平衡計算方法的有益效果如下：

146、1.實現(xiàn)了串并聯(lián)布置結(jié)構(gòu)的散熱總成計算。

147、2.解決了散熱總成的冷卻風風量與阻力匹配的問題。

148、3.多次迭代，實現(xiàn)散熱總成精確熱平衡計算，提高了理論計算精確度。