工程机械百叶窗翅片式散热器的多目标优化设计分析

工程机械百叶窗翅片式散热器的多目标优化设计分析

陈斌

身份证号：321282198505271410

摘要：科学合理的应用工程机械百叶窗翅片式散热器一直是社会主要关注的热点话题。基于此，本文结合实际情况，首先提出了工程机械百叶窗应用现状及安装技术相关内容；其次，建立了相应的建立计算模型；最后分析了百叶窗翅片多目标优化设计，希望能够给同行提供一定的帮助。

关键词：工程机械百叶窗；翅片式散热器；多目标；优化设计

引言

针对工程机械百叶窗翅片传热性能和流阻特性分析，管理人员可以妥善应用ANSYS  Workbench仿真处理软件，建立相应的数学模型后，采用适当优化方式完善并改进确保翅片质量和综合性能评价因子设计，继而达到散热器散热效果。

1.工程机械百叶窗应用现状及安装技术

1.1应用现状

经过可研人员的不断优化和改进，市场上销售的工程机械发动机的运行功率和转速都相对较高，在此种情况下，整个发动机的热负荷压力就会逐渐增大，为了促使工程机械元器件能够满足“噪声、振动及声振粗糙度”的现实需求，应采用统一方式将噪声等振动声量及时封闭在 发动机舱内，将其逐步转化成热量后，继而提升工程机械的整体散热，在工程机械管理人员自主创新后，高效紧凑的百叶窗翅片式散热器凭借自身较大传热特性和流阻特性受到了一致好评，被广泛普及并推广至机械加工、汽车制造等应用领域。

然而，大量实践表明，百叶窗翅片式散热器可能会受到外界客观因素的影响，例如，高原等恶劣天气环境下可能无法正常运转，故此，在保证翅片厚度、翅片间距、翅片宽度、百叶窗角度及百叶窗间距合理的基础上，应加大技术资金投入，积极引进先进的计算机处理技术，统一应用适量的仿真处理软件和三维模型进行耦合，通过响应面法的多目标优化方法促使数控加工处理技术不断提高，实现百叶窗多参数结构优化的综合管理。

1.2主要安装技术

第一，基层施工人员应具备专业的建筑资历，在进行施工入场安全教育的基础上，管理人员及时为施工人员佩戴安全防护帽、防护衣及相关安全设施；第二，在实际的悬空施工作业期间，施工现场内应具备相对牢靠的立足场地，结合实际地质情况配设防护网、围栏及其他安全设施，与此同时，在施工作业前应提前勘察施工场地的周围环境，采用多元管控措施排除外界各种安全隐患；第三，应高度重视3m以上的高空、悬空作业及临边施工作业活动，在施工人员将保险钩及安全带扣好的情况下，坚持“高挂低用”原则，一旦发现无法挂接安全带时，可以加长绳索长度，合理栓系在比门窗口尺寸大的配备钢管上；第四，在应用手持电动机械工具时，应派设实际工作经验丰富的建筑专家对基层愿狗狗进行技能培训，帮助基层员工及时了解并掌握工程机械百叶窗的内部构造、应用性能和实际用途，在获取大量机械工具使用维修保养的技巧后，发现百叶窗发生异常运行情况，应立即停机并切断电源；第五，在运输相关施工材料时，应派设专门车辆及运输人员轻拿轻放相关材料，在统一运送至合理区域内，避免建筑施工材料出现受损情况；第六，应高度重视机械百叶窗的用电规范管理，积极采购性能较好的插线板进行基础操作，未经上级部门批准不得私自拉设并乱接电线线路；第七，等到施工项目基本竣工后，应及时将施工垃圾统一运送至集中地点统一进行处理。

2.建立计算模型

2.1几何模型参数

管理人员应结合某一型号高原挖掘装载机内部的四排百叶窗翅片式散热器尺寸进行合理调整。例如，在管带式为主要散热器结构形式中，冷却管数目应在152个，冷却水管尺寸在3.2*23.2mm之间，此时应保证三热带数目为39、散热带间距在2.2mm左右，当管间距为12mm时。管排间距应在7.2mm。值得注意的是，应确保整个散热器芯子结构尺寸芯宽、芯高、芯厚分别为462mm、550mm、120mm。

2.2边界条件及控制方程

统一应用ANSYS meshing规划至四面体网格形式，经过测量后得知，0.81是每个体网格的最大尺寸，0.25是每个面网格的最大尺寸，应按照如下要求将CFX内部边界条件进行设置：首先，应保证空气入口边界的空气流通相对均匀 ，在设置成压力出口条件后，流固耦合传热面是空气与翅片接触面的主要形式；其次，在恒温条件下，水管壁面应达到365K左右；最后，可以将其他面设置成周期性对称面形式。

2.3数据处理

由于翅片结构、管排数、冷热流体的热物理参数对工程机械百叶窗翅片式散热器传热效果有着诸多影响，应按照如下方式对空气侧表面换热系数和传热量计算公式进行统一处理：

      （1）

在上述等式中，空气质量流量以m代表，计量单位kg/s，水的定压比热由表示，计量单位为KJ/（kgK），将空气入口温度由代表，计量单位为K，最后可以将空气出口温度设定为表示，计量单位为K。

与此同时，应求得百叶窗翅片空气侧对数平均温差:

        （2）

等式中，水管壁面温度由代表，计量单位K。

应按照如下方式将百叶窗空气侧表面换热系数h进行定义：

               （3）

等式中，翅片与空气的换热面积由代表，计量单位为m2。

将百叶窗翅片数值进行模拟计算后，假定将空气介质不压缩，空气侧降压数值通过相应模拟计算就可得知，使用无量纲传热j因子对翅片传热特性进行评估，计算公式如下：

            （4）

等式中，将空气普朗特数设定为。

而翅片的流动阻力特性可以选择使用无量纲摩擦因数f来评估计算：

   （5）

              （6）

以上等式中，冷却空气进出试件面积突缩产生的压力系数由表示，冷却空气进出试件面积突扩产生的压力系数由表示，空气侧压降由代表后，空气入口压强。空气出口部压强分别由代表，计量单位均为Pa。

2.4计算模型验证

为了全面分析数值模拟的合理性，参考以上数值模拟方法对百叶窗翅片散热器进行综合管理，及时获取空气进出口压降和换热系数，试验表明，当空气换热系数在较大风速时，最大偏差在12.24%左右，平均偏差为6.8%，试验数据个数值模拟的误差在可控范围内，能够达到实际的施工建设标准。

3.百叶窗翅片多目标优化设计

2.1建立响应面模型

将试验数据和统计数据相结合，促使设计空间构造能够和目标函数相接近，应通过设定响应面模型判定相关响应值。例如，在百叶窗翅片响应模型构建期间，应统一安排翅片设计变量数据。排除影响叶片散热效果的诸多影响因素，对翅片间距、翅片厚度、翅片宽度、百叶窗角度及百叶窗间距进行统一安排，与此同时，管理人员应结合实际的工作经验和设计技巧，将百叶窗翅片的设计变量取值范围设定为5组，在反复模拟试验设计后构成决策空间构造的试验设计点。

3.2建立数学模型

针对工程机械散热器的多目标优化设计中，将目标函数划分为空气侧压降和换热系数两个部分，在实际的数据仿真期间，选用适量的翅片单元进行数据仿真，此处以翅片综合性能评价因子和翅片质量为主要目标函数，将换热系数换热系数和翅片空气侧压降作为主要约束条件后，整个设计变量为五个结构尺寸，继而推导出翅片优化目标数学模型，主要计算公式如下：

       （7）

等式中，首先，决策矢量由X代表，决策空间为，设计尺寸变量上限、下限约束值分别为后，设计尺寸变量由di表示、综合性能评价因子由jf代表；其次，空气换热系数、空气侧换热系数下限约束值由h、代表；最后，p、分别代表空气侧压降、空气侧压降上限约束值。

3.3优化结果

首先，结合以往工程机械散热器翅片尺寸的初步设计，将CAD模型引入AWB中，在初步进行网格划分后，进一步对五个核心尺寸参数进行设定，确保仿真模型准确效果和网格独立性后，通过仿真推算出综合性能评价因子为0.013277，质量为0.0021042kg，换热系数为96.52W/（m2K）后，整个空气侧压降为997.94Pa,其次，应对翅片结构的灵敏度进行分析，有数据显示，翅片间距和翅片宽度与综合性能评价因子成负相关，翅片厚度和百叶窗间距与综合性能评价因子成正相关，百叶窗角度对综合性能评价因子影响很小。翅片间距、翅片厚度、翅片宽度与质量成正相关，而百叶窗间距与综合性能评价因子成正相关，百叶窗角度和百叶窗间距对质量的影响很小。由此可以断定，应增大百叶窗间距、减小翅片厚度和翅片间距。

结束语：

综上所述， 工程机械百叶窗翅片式散热器优化目标设计需要及时对综合评价因子和质量灵敏度进行分析，施工企业管理部门应顺应时代发展潮流，积极学习并引进国内外先进的百叶窗翅片优化方法，提升百叶窗重要元器件散热效果。

参考文献：

[1]张宝斌. 基于CFD分析的散热器百叶窗应用模型研究[D].华北理工大学,2020.

[2]张银亮. 高原型工程机械冷却系统的研究与优化设计[D].厦门大学,2017.

[3]张银亮,蔡惠坤,沈超. 工程机械百叶窗翅片式散热器的多目标优化设计[J]. 中国工程机械学报,2016,14(06):508-514.