课题来源与背景 车辆散热器是汽车发动机冷却系统的重要部件之一,它的调节能力直接影响发动机的动力性,经济性和可靠性。在保证散热器具有足够强的散热能力条件下,体积更小,重量更轻,散热效率更高成为散热器设计时追求的目标。目前汽车应用的许多新技术,如进气增压中冷技术、高压燃油喷射燃烧技术、废气再循环(EGR)技术、尾气净化处理技术,以及新能源汽车技术等,对汽车热管理提出更高的要求。而且,散热器制造企业面临着国内外市场的激烈竞争压力,为了扩大竞争空间,必然要缩短产品设计周期和增强产品的创新能力。目前国内针对特定厂家综合考虑散热器的传热和流动阻力特性和冷却液特性,将一维和三维CFD耦合设计计算、并采用智能优化的设计软件几乎是空白。本优化设计平台就是针对上述问题而开发。本科技成果受以下项目支持：山东省科技计划项目(2011GGX10404)： 汽车散热器优化设计平台研发,时间：2011.1.1-2013.12.30 山东省科技厅 2、研究目的与意义 研发了具有自主知识产权的汽车散热器优化设计与校核软件平台。汽车散热器设计软件基于先进的Microsoft.NET框架,采用 C#语言为设计语言编制的,具有完全的自主软件版权,具有国际汽车主流热管理软件,如KULI和FLOWMASTER的绝大部分功能,某些功能还优于上述软件,对于打破国际软件对中国市场的垄断具有重要作用。并应用于大型发电机组、大型工程机械、新能源汽车冷却系统的开发。 3、主要论点与论据 在建立了多目标散热器优化设计模型的基础上,分别采用双种群进化规划算法和自适应遗传算法求得优化设计模型最优解和Pareto解,研究了不同车型下单个散热器与散热器模块的串、并联流动换热规律,得到了节流和热气回流等的换热规律并嵌入到开发的软件中,形成了较理想的技术解决方案。 4、创见与创新 1)在对散热器芯体有效仿真的基础上, 找出散热器参数：扁管横截面长、横截面宽、芯厚、管型、管排数、百叶窗宽度、百叶窗间距对传热和阻力影响的关系,根据实验设备的测试温度、流量、压力的准确程度和散热器结构的加工精度,合理划分实验因素的水平数;根据实验因素和水平数的组合,选择正交设计和均匀设计进行试验。结合试验的散热器各参数的相关关系,给出恰当的函数表达式,并通过回归分析给出各项的t检验和整个方程的F检验,分别通过仿真和试验找到管带式散热器传热与阻力预测系数的最佳关系式。 2)在构造散热器优化设计目标函数的基础上,首先在进化规划算法中选取不同类别且能互补的寻优种群。种群按一定规则划分为两个子群,其中一个子群使用变异率高的Cauchy算子,以实现该子群中的个体能够尽可能分散地到达解空间的各个位置,另一个子群使用变异率低的Gauss算子,以保证此子群中的个体在每一个局部能够找到尽可能好的解。然后改进变异过程、子群重组和信息传递的方式以摆脱规划过程中的局部最优点,实现进化规划算法快速收敛。然后研究自适应遗传算法AGA, 根据适应度函数来动态调整变异概率 ,试验结果表明无论是计算速度还是计算的准确性,上述两种方法都优于传统的进化规划算法。 3)鉴于散热器仿真分析应结合发动机舱的其它部件才能更体现其准确性,分别采用两种车型即客车和载货车建立的数值计算模型并划分计算区域。对客车外部流场区域,客车换热器冷却空气流通区域及客车发动机与四周车身形成的相对密闭的区域,载货车外部流动区域,通风隔栅到发动机前端区域(包括中冷器、水箱及风扇)及载货车发动机舱中后部区域布置多个测点,研究标准的k-ε模型、RNG k-ε模型、可实现k-ε模型、剪切压力传输模型(SST-k-ω)模型等四种湍流模型及RNG模型的有效粘度修正及涡粘性修正两种修正模型,在计算中的准确性及适用性。然后针对推土机、载货车、城际客车不同发动机舱的结构特点,进行三维分析,并优化布置散热器模块和发动机位置。 5、社会经济效益,存在的问题 此设计软件可以迅速减少设计研发周期,使散热器紧凑而有效,减少制造成本,散热器推入市场的时间缩短2/3,在保证满足发动机散热的要求的前提下,制造成本减少1/5,整体上每年可给企业带来近千万的经济收入,另外为恒安散热器集团三大产品的研发： 1)煤、油、气田用大型发电机组高低温循环卧式模块化冷却系统研发。 2)板翅式散热器模块化研发。 3)新能源汽车智能热管理系统研发,提供技术支持。 针对软件运行过程出现的问题应进一步提高其健壮性和可靠性。
