專利名稱：散熱系統(tǒng)參數(shù)敏感度的計(jì)算方法及參數(shù)定量再確定方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于港口機(jī)械、工程機(jī)械領(lǐng)域，涉及一種散熱系統(tǒng)參數(shù)敏感度的定量設(shè)計(jì)。

背景技術(shù)：
在港口機(jī)械領(lǐng)域和工程機(jī)械領(lǐng)域，由于動(dòng)力元件的發(fā)熱和冷卻具有很高的能量，散熱系統(tǒng)是整機(jī)不可缺少的系統(tǒng)之一。目前廣泛采用的散熱器為管式散熱器，其基本原理是強(qiáng)制對流換熱將冷卻介質(zhì)中的能量耗散到外界。
因管式散熱器的散熱系統(tǒng)的設(shè)計(jì)涉及傳熱學(xué)，流體力學(xué)等多方面的內(nèi)容，以大量的實(shí)證性實(shí)驗(yàn)的研究成果為依據(jù)，其設(shè)計(jì)參數(shù)之間的相互耦合和非線性關(guān)系十分復(fù)雜。工程應(yīng)用的設(shè)計(jì)需要較為簡單的理論方法作為指導(dǎo)，這與散熱原理的復(fù)雜理論架構(gòu)構(gòu)成了矛盾。許多港口機(jī)械和工程機(jī)械的生產(chǎn)廠商因此在設(shè)計(jì)散熱系統(tǒng)時(shí)缺乏理論依據(jù)，對于多大的原動(dòng)機(jī)需要多大的散熱器，散熱器各結(jié)構(gòu)參數(shù)如何配置等問題十分困擾，目前只能定性，粗略的描述問題，無法定量化說明各參數(shù)對于散熱系統(tǒng)的影響程度。
因此，需要建立一種工程化應(yīng)用的簡單的再設(shè)計(jì)方法，使得既能獲得定量化設(shè)計(jì)依據(jù)，又可實(shí)現(xiàn)簡化的設(shè)計(jì)計(jì)算過程，便于工程應(yīng)用。


發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種散熱系統(tǒng)參數(shù)敏感度的計(jì)算方法及參數(shù)定量再確定方法，可使設(shè)計(jì)計(jì)算過程簡單化，便于工程應(yīng)用。
為達(dá)到以上目的，本發(fā)明所采用的解決方案是 一種計(jì)算散熱系統(tǒng)參數(shù)敏感度的方法，其根據(jù)散熱器熱特性和風(fēng)道特性，建立散熱器設(shè)計(jì)參數(shù)與散熱性能的數(shù)學(xué)模型，模型參數(shù)包括散熱器參數(shù)、冷卻液參數(shù)、空氣參數(shù)和風(fēng)扇參數(shù)；根據(jù)上述參數(shù)采用Dittus-Boelter公式確定水側(cè)傳熱系數(shù)，風(fēng)扇直徑、葉片安裝角、風(fēng)扇轉(zhuǎn)速確定風(fēng)扇外特性理論方程，結(jié)合散熱器風(fēng)阻模型確定空氣側(cè)空氣流量，并采用Colburn因子法及Y.J.Chang公式確定空氣側(cè)傳熱系數(shù)，根據(jù)即可得到總散熱性能，以某參數(shù)改變后相對于原始值的倍數(shù)作為自變量，隨該參數(shù)變化的散熱系數(shù)值相對于散熱系數(shù)原始值的倍數(shù)作為因變量，考察各個(gè)不同的參數(shù)變化倍率對于散熱系數(shù)Kr的變化倍率的影響，定義散熱系數(shù)變化倍率相對于參數(shù)變化倍率的比值為參數(shù)敏感系數(shù)Kx。
所述的水側(cè)傳熱系數(shù)hw根據(jù)確定，其中λw為水的導(dǎo)熱系數(shù)，dew為管內(nèi)當(dāng)量直徑，Rew為水雷諾數(shù)，Prw為水普朗克常數(shù)。
所述的空氣傳熱系數(shù)ha采用Colburn因子法及Y.J.Chang公式確定，其中Pra為空氣普朗特?cái)?shù)，cpa為空氣比熱容，Gmax為最小截面處空氣質(zhì)量流量(kg/m2s)，Rea為空氣雷諾數(shù)，de為空氣流道當(dāng)量直徑，F(xiàn)i是散熱片厚度，Sf是散熱片間距，NR是管排數(shù)。
所述的風(fēng)扇外特性理論方程包括風(fēng)扇特性方程和風(fēng)阻特性方程，兩者聯(lián)立得出Qa，進(jìn)而算得Gmax、雷諾數(shù)Re和空氣流量計(jì)算出空氣側(cè)傳熱系數(shù)ha。
一種散熱系統(tǒng)參數(shù)敏感度定量再確定方法，其包括以下步驟 1)計(jì)算散熱器的散熱性能增加倍率值其中TATB1為改良前ATB溫度，TATB2為改良后ATB溫度； 2)確定改良方案，決定需改變散熱器中的哪個(gè)參數(shù)，查表獲得該參數(shù)的敏感系數(shù)Kx； 3)根據(jù)Y＝KxXx計(jì)算某設(shè)計(jì)參數(shù)的增加倍率值Xx，其中Kx為該參數(shù)的敏感系數(shù)。
由于采用了上述方案，本發(fā)明具有以下特點(diǎn)本發(fā)明的設(shè)計(jì)使得在工程應(yīng)用散熱系統(tǒng)時(shí)，可以方便的進(jìn)行定量，從而簡化設(shè)計(jì)計(jì)算過程。



圖1為管片式散熱器的結(jié)構(gòu)尺寸參數(shù)示意圖。
圖2為管片式散熱器散熱性能的數(shù)學(xué)模型。

具體實(shí)施例方式 以下結(jié)合附圖所示實(shí)施例對本發(fā)明作進(jìn)一步的說明。
本發(fā)明的基本內(nèi)容是在精確復(fù)雜的理論和定性的描述之間取平衡，對于各個(gè)參數(shù)對于散熱性能的影響強(qiáng)弱取定量系數(shù)，稱之為各參數(shù)的敏感度，利用它作為一種近似的線性化設(shè)計(jì)依據(jù)，代替復(fù)雜的非線性解法。
為舉例說明本方法的應(yīng)用過程，這里以工程車輛常用的管片式散熱器為例，本發(fā)明的主要方法如下 管片式散熱器的細(xì)部結(jié)構(gòu)尺寸參數(shù)如圖1所示，其中包括以下參數(shù)管短徑DT；管長徑WT；管列間距SC；管排間距SR；片間距Sf；管壁厚FT；片厚Fi。
除圖中所示參數(shù)外，本方法還將考慮以下參數(shù)管列數(shù)NC；管排數(shù)NR；片數(shù)Nf；散熱器材料。在分析風(fēng)扇風(fēng)道特性后，可以將風(fēng)扇參數(shù)納入考慮范圍，這里可考慮以下參數(shù)風(fēng)扇直徑Dfan、葉片安裝角β、風(fēng)扇轉(zhuǎn)速nfan。
以散熱器的總導(dǎo)熱系數(shù)和散熱面積的乘積作為散熱器性能的評價(jià)指標(biāo)；以已有的管片散熱器的傳熱和流道阻力研究得出的模型作為基礎(chǔ)，采用Dittus-Boelter公式確定水側(cè)傳熱系數(shù)，采用Colburn因子法及Y.J.Chang公式確定空氣側(cè)傳熱系數(shù)，結(jié)合風(fēng)道風(fēng)阻特性方程確定風(fēng)扇與傳熱性能的關(guān)系，具體如下 散熱器總熱阻分為水側(cè)，壁導(dǎo)熱和空氣側(cè)三部分，公式如下 式中η是肋效率。Ar為總散熱面積，Kr為總傳熱系數(shù)，兩者乘積表達(dá)了散熱器的散熱性能。ATi為散熱器水側(cè)總面積，Afo為散熱器管外側(cè)總面積，Af為肋片總面積、λT為管材質(zhì)傳導(dǎo)系數(shù)、δ為管壁面厚度，均可根據(jù)散熱器設(shè)計(jì)幾何形態(tài)確定。
水側(cè)傳熱系數(shù)hw用Dittus-Boelter公式計(jì)算其努謝爾特?cái)?shù)Nu，進(jìn)而確定傳熱系數(shù) 其中λw為水的導(dǎo)熱系數(shù)，dew為管內(nèi)當(dāng)量直徑，Rew為水雷諾數(shù)，Prw為水普朗克常數(shù)。
(雷諾數(shù)公式是v是流體速度，d是當(dāng)量直徑，υ是運(yùn)動(dòng)粘度；當(dāng)量直徑是將非圓形流道當(dāng)做圓形流道算時(shí)的直徑；運(yùn)動(dòng)粘度、普朗克數(shù)為介質(zhì)固有特性，可查表得到，原則上和溫度有關(guān)，這里忽略。) 空氣傳熱系數(shù)ha采用Colburn因子法 式中，Pra為空氣普朗特?cái)?shù)，cpa為空氣比熱容，Gmax為最小截面處空氣質(zhì)量流量(kg/m2s)。
Colburn因子j采用Y.J.Chang公式 式中，F(xiàn)i是散熱片厚度，Sf是散熱片間距，NR是管排數(shù)。
肋效率計(jì)算公式如下 式中，F(xiàn)h是散熱片高度，管片式散熱器取Fh為管間距的一半。
散熱器風(fēng)阻確定采用風(fēng)阻特性方程 這里忽略了氣壓變化引起的密度變化，ρa(bǔ)為空氣密度，ΔP為散熱器前后氣壓差，它與空氣的質(zhì)量流量的平方成正比。Amin為最小通風(fēng)截面積。
摩擦因子f采用Y.J.Chang的摩擦因子公式 風(fēng)扇特性曲線通常由廠商給出為分析參數(shù)和性能的影響關(guān)系，需根據(jù)風(fēng)扇的尺寸參數(shù)確定其性能，以下根據(jù)風(fēng)機(jī)理論確立風(fēng)扇特性的理論計(jì)算方法。
理想軸流風(fēng)扇的風(fēng)壓-流量特性曲線根據(jù)Euler能量方程式推導(dǎo)確定 式中，PT為風(fēng)扇風(fēng)壓，Qa為空氣流量，ρa(bǔ)為空氣密度，u為葉片線速度，Afan為通風(fēng)面積，β為葉片出口安裝角。
取風(fēng)扇葉弦的中點(diǎn)做計(jì)算參考，則 式中，nfan為風(fēng)扇轉(zhuǎn)速(rpm)，Dfan為風(fēng)扇直徑。
考慮實(shí)際風(fēng)扇損失和效率問題，對能頭ρu2取效率ηf＝0.6，至此風(fēng)扇特性方程為 風(fēng)扇工作點(diǎn)即為風(fēng)扇特性曲線和風(fēng)道特性曲線的交點(diǎn)，聯(lián)立風(fēng)扇特性方程(1-10)和風(fēng)阻特性方程(1-6)可解得ΔP和Qa，其中解出的ΔP不需要，空氣流量Qa可以進(jìn)一步轉(zhuǎn)化為Gmax、雷諾數(shù)Re，用于空氣側(cè)傳熱系數(shù)ha的確定。
根據(jù)以上對散熱器熱特性和風(fēng)道特性的解析，建立了散熱器設(shè)計(jì)參數(shù)與散熱性能的數(shù)學(xué)模型，模型架構(gòu)如圖2所示。
模型參數(shù)分為管片散熱器參數(shù)、冷卻液參數(shù)、空氣參數(shù)和風(fēng)扇參數(shù)四組，通過強(qiáng)制對流換熱原理分別確定水側(cè)傳熱、氣側(cè)傳熱和壁面導(dǎo)熱，進(jìn)一步得出散熱系統(tǒng)總散熱性能，因此可量化反映出散熱器再設(shè)計(jì)時(shí)參數(shù)調(diào)節(jié)對于散熱性能的影響。
以上可見，散熱分析在工程應(yīng)用中涉及理論較多，分析較為復(fù)雜，不利于應(yīng)用。為結(jié)合工程應(yīng)用實(shí)際，本發(fā)明對該模型各設(shè)計(jì)參數(shù)進(jìn)行再設(shè)計(jì)分析，以反映不同參數(shù)變化對與性能變化的關(guān)系。
為能使結(jié)論具有一定的普適性，對于參數(shù)變化和散熱變化采用相對變化倍數(shù)的分析思想，即用某參數(shù)改變之后相對于原始值的倍數(shù)變化作為自變量，用該參數(shù)改變后的散熱系數(shù)值相對于散熱系數(shù)原始值的倍數(shù)變化作為因變量，考察各個(gè)不同的參數(shù)變化倍率對于散熱系數(shù)的變化倍率的影響，以反映不同參數(shù)影響散熱性能的強(qiáng)弱。根據(jù)此思想，對于管片式散熱器參數(shù)中便于設(shè)計(jì)改動(dòng)的參數(shù)進(jìn)行計(jì)算機(jī)分析，分析顯示，各參數(shù)在一半至1.5倍這一較小的調(diào)整范圍內(nèi)，散熱性能與參數(shù)變化呈現(xiàn)近似線性的關(guān)系，因此取各參數(shù)增大0.5倍時(shí)散熱性能增大倍數(shù)值與倍數(shù)0.5的比值，定義為參數(shù)敏感系數(shù)。這些系數(shù)可以反映導(dǎo)熱性能對于不同參數(shù)影響的敏感程度，從而產(chǎn)生一種簡化的系數(shù)再設(shè)計(jì)方法。對于不同參數(shù)進(jìn)行分析，就可獲得不同參數(shù)的敏感系數(shù)表，利用該表進(jìn)行散熱性能的簡化計(jì)算。
以管片式散熱器為例，提供其主要參數(shù)敏感系數(shù)匯總列表如表1。
表1 散熱系統(tǒng)主要參數(shù)的敏感系數(shù)表
工程上散熱系統(tǒng)性能的通用評價(jià)指標(biāo)是ATB(Air-to-Boil)溫度。按ATB溫度提出改良設(shè)計(jì)要求時(shí)，散熱性能增加倍率值Y可按下式計(jì)算 式中，TATB1為改良前ATB溫度，TATB2為改良后ATB溫度。
之后采用以下方程確定需調(diào)整的參數(shù)變化倍率值 Y＝KxXx(2) 式中，Y為散熱器散熱性能的增加倍率值。Xx為某設(shè)計(jì)參數(shù)的增加倍率值，Kx即為該參數(shù)的敏感系數(shù)，按表1選取。
例如，要通過加厚水箱，增加散熱水箱管排數(shù)的方法改良某機(jī)型的散熱系統(tǒng)，使其ATB溫度由45度上升至55度。則 根據(jù)表1，管排數(shù)敏感系數(shù)KNR＝0.5227，則 也就是說管排數(shù)需增大0.4247倍，約相當(dāng)于7排變?yōu)?0排。
如此即可實(shí)現(xiàn)再設(shè)計(jì)的簡單、定量化過程。
上述的對實(shí)施例的描述是為便于該技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員能理解和應(yīng)用本發(fā)明。熟悉本領(lǐng)域技術(shù)的人員顯然可以容易地對這些實(shí)施例做出各種修改，并把在此說明的一般原理應(yīng)用到其他實(shí)施例中而不必經(jīng)過創(chuàng)造性的勞動(dòng)。因此，本發(fā)明不限于這里的實(shí)施例，本領(lǐng)域技術(shù)人員根據(jù)本發(fā)明的揭示，對于本發(fā)明做出的改進(jìn)和修改都應(yīng)該在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。
權(quán)利要求
1、一種計(jì)算散熱系統(tǒng)參數(shù)敏感度的方法，其特征在于其根據(jù)散熱器熱特性和風(fēng)道特性，建立散熱器設(shè)計(jì)參數(shù)與散熱性能的數(shù)學(xué)模型，模型參數(shù)包括散熱器參數(shù)、冷卻液參數(shù)、空氣參數(shù)和風(fēng)扇參數(shù)；根據(jù)上述參數(shù)采用Dittus-Boelter公式確定水側(cè)傳熱系數(shù)，風(fēng)扇直徑、葉片安裝角、風(fēng)扇轉(zhuǎn)速確定風(fēng)扇外特性理論方程，結(jié)合散熱器風(fēng)阻模型確定空氣側(cè)空氣流量，并采用Colburn因子法及Y.J.Chang公式確定空氣側(cè)傳熱系數(shù)，根據(jù)即可得到總散熱性能，以某參數(shù)改變后相對于原始值的倍數(shù)作為自變量，隨該參數(shù)變化的散熱系數(shù)值相對于散熱系數(shù)原始值的倍數(shù)作為因變量，考察各個(gè)不同的參數(shù)變化倍率對于散熱系數(shù)Kr的變化倍率的影響，定義散熱系數(shù)變化倍率相對于參數(shù)變化倍率的比值為參數(shù)敏感系數(shù)Kx。
2、如權(quán)利要求1所述的計(jì)算散熱系統(tǒng)參數(shù)敏感度的方法，其特征在于所述的水側(cè)傳熱系數(shù)hw根據(jù)確定，其中λw為水的導(dǎo)熱系數(shù)，dew為管內(nèi)當(dāng)量直徑，Rew為水雷諾數(shù)，Prw為水普朗克常數(shù)。
3、如權(quán)利要求1所述的計(jì)算散熱系統(tǒng)參數(shù)敏感度的方法，其特征在于所述的空氣傳熱系數(shù)ha采用Colburn因子法及Y.J.Chang公式確定，其中Pra為空氣普朗特?cái)?shù)，cpa為空氣比熱容，Gmax為最小截面處空氣質(zhì)量流量(kg/m2s)，Rea為空氣雷諾數(shù)，de為空氣流道當(dāng)量直徑，F(xiàn)t是散熱片厚度，Sf是散熱片間距，NR是管排數(shù)。
4、如權(quán)利要求1所述的計(jì)算散熱系統(tǒng)參數(shù)敏感度的方法，其特征在于所述的風(fēng)扇外特性理論方程包括風(fēng)扇特性方程和風(fēng)阻特性方程，兩者聯(lián)立得出Qa，進(jìn)而算得Gmax、雷諾數(shù)Re和空氣流量計(jì)算出空氣側(cè)傳熱系數(shù)ha。
5、一種散熱系統(tǒng)參數(shù)定量再確定方法，其特征在于其包括以下步驟
1)計(jì)算散熱器的散熱性能增加倍率值其中TATB1為改良前ATB溫度，TATB2為改良后ATB溫度；
2)確定改良方案，決定需改變散熱器中的哪個(gè)參數(shù)，查表獲得該參數(shù)的敏感系數(shù)Kx；
3)根據(jù)Y＝KxXx計(jì)算某設(shè)計(jì)參數(shù)的增加倍率值Xx，其中Kx為該參數(shù)的敏感系數(shù)。
全文摘要
一種散熱系統(tǒng)參數(shù)敏感度的計(jì)算方法及參數(shù)定量再確定方法，其根據(jù)散熱器熱特性和風(fēng)道特性，建立散熱器設(shè)計(jì)參數(shù)與散熱性能的數(shù)學(xué)模型，模型參數(shù)包括散熱器參數(shù)、冷卻液參數(shù)、空氣參數(shù)和風(fēng)扇參數(shù)；根據(jù)上述參數(shù)與總散熱性能的關(guān)系，以某參數(shù)改變后相對于原始值的倍數(shù)作為自變量，隨該參數(shù)變化的散熱系數(shù)值相對于散熱系數(shù)原始值的倍數(shù)作為因變量，考察各不同的參數(shù)變化倍率對于散熱系數(shù)的變化倍率的影響，定義散熱系數(shù)變化倍率相對于參數(shù)變化倍率的比值為參數(shù)敏感系數(shù)，再根據(jù)已知的參數(shù)敏感系數(shù)及總散熱性能的改變量確定某參數(shù)的改變量，進(jìn)而完成散熱系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。本發(fā)明的設(shè)計(jì)使得在工程應(yīng)用散熱系統(tǒng)時(shí)，可以方便的進(jìn)行定量，從而簡化設(shè)計(jì)計(jì)算過程。
文檔編號F28D1/02GK101539374SQ20091004912
公開日2009年9月23日 申請日期2009年4月10日 優(yōu)先權(quán)日2009年4月10日
發(fā)明者王安麟, 李曉田, 濤 姜, 劉廣軍, 健 慈, 董亞寧 申請人:同濟(jì)大學(xué)