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《汽车散热器散热性能分析软件系统开发》 随着汽车制造业的飞速发展,汽车散热器在汽车中的作用日益显著。自1901年世界上第一个散热器诞生以来,汽车散热器经历了从管片式铜质散热器到现在的钎焊式铝质散热器等多个发展阶段。散热器作为汽车水冷发动机冷却系统的关键组件,其性能直接影响到汽车发动机的稳定运行和寿命。在中国,随着汽车工业的进步,散热器的技术水平和质量已有显著提升,国产散热器在市场上的占有率逐年增长。 汽车散热器的结构通常包括进水室、出水室和散热器芯体三部分,通过冷却液在芯体内流动,空气在芯体外流动进行热交换。散热器的设计需要考虑足够的通流面积,以便冷却液和空气能有效交互热量。管带式和管片式是常见的散热器芯部结构形式,前者因其更高的散热能力和成本效益广泛应用于中小型车辆,后者则因结构强度高适用于恶劣环境。 在计算机辅助设计制造技术的背景下,开发汽车散热器散热性能分析软件是必要的。这样的系统可以简化设计过程,降低计算量,缩短设计周期,提高设计质量。本文采用VB6.0编程语言和SQL SERVER 2000数据库设计了一款针对管带式汽车散热器的散热性能分析系统,便于数据存储和调用,有助于提升设计效率。 散热器的传热性能分析通常基于一系列假设,例如忽略散热损失、恒定流量等。传热面积的计算涉及到水侧和空气侧的面积,通过水管截面周长、长度和数目计算水侧传热面积,进而分析整个散热器的热交换效能。 汽车散热器的散热性能分析和软件系统开发是汽车工程中的一个重要课题。通过科技创新和软件技术的应用,可以优化散热器设计,提高汽车的整体性能,同时推动中国汽车工业的持续进步。
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1 前言
1.1 汽车散热器发展概况及趋势
随着汽车制造业的迅速发展,汽车散热器的使用量也随之增加。回顾汽车散热器
的发展历史,美国于1901年在第二次汽车展览会上展出了世界上第一个散热器,英国
于1904年开始生产用于汽车的散热器,日本1935年在修配的基础上产生了散热器工业
并且发展迅速。我国汽车散热器发展比较缓慢,是随着拖拉机和汽车工业的发展逐步
发展起来的。汽车散热器主要经历了管片式铜质散热器、管带式铜质散热器、装配式
铝质散热器、钎焊式铝质散热器等几个阶段。
随着汽车发动机转速和功率的不断提高,热负荷也愈来愈大,对冷却系统的要求
也越来越高,作为汽车水冷发动机冷却系统的重要部件,对散热器的要求也越来越高。
从整体来看,我国车用散热器的技术水平、质量状况已基本能够满足国内配套的需要,
管带式铜散热器和钎焊式铝散热器为行业的主导产品。近年来,在我国,生产汽车散
热器的厂家相继涌现出来,各个企业也设有专门的研究部门,可以根据发动机的功率、
安装尺寸等参数及工作环境等要求,设计开发全新的产品。专业的团队加上先进的生
产线及检测设备(如风洞试验台
[16]
、振动试验台检测等),使国产散热器的质量得到
明显提高,进口汽车散热器的比例正在逐渐减小。目前正逐步占据市场的散热器为新
型的钎焊式铝制散热器。
铜和铝是散热器制造的常见材料。近年来,散热器产品的改进主要是希望减轻重
量,相同规格的铝制散热器比铜质散热器重量的三分之二。大部分生产厂家都倾向于
铝制散热器的设计研究。散热器的选取取决于汽车的型号以及发动机的功率等因素。
中小功率的汽车大多采用的是铝散热器,汽车散热器正朝着轻型、高效、经济的方向
发展。
1.2 汽车散热器的结构特点
汽车散热器属于汽车冷却系统,由进水室、出水室及散热器芯体等三部分构成,
如图 1.1 所示。冷却液在散热器芯内流动,空气在散热器芯外通过。散热器是一个热
交换器,在工作过程中,热的冷却液(水)向空气散热变冷,冷空气则吸收冷却液散
出的热量而升温。
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1 进水室 2 散热器芯体 3 出水室
图 1.1 汽车散热器外形
为使冷却液通过,散热器芯部应具备足够的通流面积,同时也要具备足够的空气
通流面积,让足量的空气通过芯体以带走冷却液传给散热器的热量。为使热量传递达
到基本的平衡状态,还要具有足够的散热面积,来完成冷却液、空气和散热片之间的
热量交换。
散热器芯部的结构形式主要有管带式和管片式两大类。管片式散热器芯部是由许
多细的冷却管和散热片构成。冷却管大多采用扁圆形截面,以减小空气阻力,增加传
热面积。管片式散热器具有结构强度较好,并且油污和尘埃堵塞芯部的可能性较小的
特点,多应用于震动较大、工况较恶劣的环境的汽车冷却系统中。管带式散热器是由
波纹状散热带和散热管相间排列经焊接而成。与管片式散热器相比,在同样的条件下,
管带式散热器散热面积可以增加 12%左右,另外在散热带上开有扰动气流的类似百叶
窗的孔
[9]
,以破坏流动空气在散热带表面上的附着层,提高了散热能力
[18]
。开百叶
窗波带的散热器传热效率较普通平片散热片提高了 160%。与管片式散热器相比,管
带式散热器散热能力较高、质量较轻、制造工艺简单、成本低,但是结构强度不如管
片式散热器,所以多应用于中小型车辆。
1.3 选题的目的及意义
随着计算机辅助设计制造技术的广泛应用,将这项技术应用到汽车散热器的计算
机设计分析是一个发展趋势。散热器设计是一个复杂的计算过程,所涉及的学科比较
多,包括热力学、流体力学、机械学等,设计参数比较多,包括结构参数和工况参数,
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在计算过程中计算量很大。汽车产品更新换代越来越快,对散热器的设计要求也越来
越高,因此,设计一款散热器的设计软件来减轻工作量,缩短设计周期是不可或缺的。
本课题通过联系汽车散热器的结构性能进行了分析,通过 VB6.0 与 SQL
SERVER 2000 设计一款管带式汽车散热器散热性能分析的系统,并将计算结果存储
起来名,方便调用。本系统可以有效地减少设计人员的工作量、缩短设计周期、提高
了产品的设计质量。为之后的工艺与工装设计打下了基础。
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2 散热器传热性能分析及计算公式
汽车在正常行驶过程中,散热器处于正常工作状态,各项参数不随时间的变化而
变化,在计算过程中作如下假设:(1)忽略散热器工作时的散热损失;(2)视水和空
气的流量为常量;(3)管壁与流体内都不存在轴向导热;(4)水和空气在换热过程中
没有相变发生。具体分析计算过程如下所列。
2.1 传热面积计算
2.1.1 水侧面积计算
散热水管截面如图 2.1 所示,其传热面积为 F
w
,计算如下:
F
w
=截面周长×水管长×冷却水管数目
111w )(2 NHWLF �����
(2.1)
其中:F
W
——水侧传热面积[m
2
];
L
1
——水管横截面长[mm]
W
1
——水管横截面宽[mm]
H
1
——水管长[mm]
N
1
——水管数目
图 2.1 散热管截面形状
2.1.2 气侧面积计算
F
A
=翅片单元周长×翅片单元的有效宽度/翅片内距×散热片的层数
2
1
2
2
A
)
4
(22 N
w
H
LLw
w
HHF ��������
(2.2)
其中:
A
F
——气侧传热面积[m
2
]
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HH
——翅片波高[mm]
w
——翅片波距[mm]
LL
——芯体厚度[mm]
2N
——气侧通道数
2.2 当量直径的计算
把水利半径相等的圆管直径定义为非圆管的当量直径 当量直径计算在总流的有
效截面上,流体与固体壁面的接触长度称为湿周
[3]
,用字母 L 表示。总流的有效截面
积 A 和湿周 L 之比定义为水力半径,用字母
R
表示,即 R=A/L。
对于圆形截面的管道,其当量直径用水力半径表示时可表示为 d=4R,即圆形截
面的管道几何直径为水力半径的 4 倍。
与圆形管道相类比,非圆形截面管道的当量直径 D
e
也可以用 4 倍的水力半径表
示,即
U
A
RD ��� 44e
(2.3)
式中:
A:流体的流通截面积;
U:湿周边或热周边长。在计算阻力时,它是流体润湿周边;在传热计算时,是
参与传热的周边。
2.2.1 水侧通道(矩形)当量直径
)(2
44
11
11
w
WL
WL
U
A
D
��
��
�
�
�
(2.4)
2.2.2 气侧通道当量直径
散热器传热过程中一次传热面与翅片形成通道的当量直径 D
w
:
2
2
w
4
2
2
1
4
4
HH
w
w
HHw
U
A
D
���
���
�
�
�
(2.5)
2.3 对数平均温差△t
m
的计算
对数平均温差△t
m
是指流体在整个热交换器中各处温差的平均值。流体在热交换
器内流动有顺流和逆流等流动方式,但由于受到空间等因素的限制,在工程应用中的
热交换器多采用错流的、多流程的或者更为复杂方式的流动。
相比顺流和逆流平均温差的的计算,错流和混流流动的计算比较复杂,不过通过
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