ANSYS-CFX仿真结果及先进汽车缓速器理论与试验

图5-38展示了冷却液管道内壁面轴向平均温度的流向分布曲线。除了冷却液管道进、出口对流场分布的影响导致温度分布的变化，在其他区域平均温度则在不断升高，但其增长速度在逐渐减小。为了更好地说明冷却液管道的换热特性，定义局部努塞尔数为Nu，即

式中，q″是壁面局部热流密度；T_w-T_b是壁面局部温度与所处截面液体的混合平均温度之差；D_h是液力直径；k是以T_b为定性温度的液体热导率。

冷却液管道内壁面轴向平均努塞尔数的流向分布曲线如图5-39所示。从约0.5rad开始，壁面的努塞尔数不断减小，这是造成出口处定子内表面温度高的原因之一。

图5-38 冷却液管道内壁面轴向平均温度流向的流向分布曲线

图5-39 冷却液管道内壁面轴向平均努塞尔数流向分布曲线

图5-40 冷却液管道出、入口附近的速度分布

a）入口附近的速度分布 b）出口附近的速度分布

同样，努塞尔数的分布与冷却液管道内的液体速度分布密切相关，液体在壁面附近的速度快则边界层相对较薄，热阻减小，努塞尔数增大。图5-40展示了在入口附近和出口附近的在冷却液管道宽度1/4处的速度分布。从图中可以看到，在入口附近的壁面处存在一个高速区域，而在出口附近的壁面处则存在一个低速区域，分别对应图5-38和图5-39中进、出口附近的温度和努塞尔数的变化。

仿真计算中除了数值分析的计算误差，其计算结果还是系统处于平衡状态下的温度分布，这是计算得到的温度偏高的原因之一。此外，定子温度分布不均，各处的电导率也是不同的，在高温区域产生的热量没有低温区域产生的热量多，而计算中假设生热率是均匀分布的，这也是产生计算误差的原因之一。

在液冷缓速器工作过程中，冷却液将热量带出缓速器，通过汽车发动机的冷却系统将热量散发到空气中，而冷却液的流量和入口温度随着汽车工况的变化而变化。因此，我们需要了解这两者对缓速器温度分布的影响。

图5-41是定子内表面最高温度随流量变化的曲线。计算的边界条件中，热源生热率为7.59E+08W/m³。流量增大，则定子内表面最高温度减小；但在流量约为3L/s时，定子内表面最高温度减小的速率减缓。

图5-42是定子内表面最高温度随入口处冷却液温度变化的曲线。入口处冷却液温度增大，则定子内表面最高温度增大。入口处冷却液温度从约50℃开始，定子内表面最高温度基本与入口处冷却液温度呈正比例。(www.xing528.com)

图5-41 定子内表面最高温度随流量变化的曲线

图5-42 定子内表面最高温度随入口处冷却液温度变化的曲线

冷却液管道高度是重要的设计参数。由于尺寸的限制，冷却液管道宽度基本上是不能变化的，并与磁铁轴向长度相同，因此我们需要了解冷却液管道高度对缓速器定子温度分布的影响。

图5-43是定子内表面最高温度随冷却液管道高度变化的曲线。冷却液管道高度增大，则定子内表面最高温度增大。若流量不变，冷却液管道高度减小，那么液体流速增大，边界层厚度减小，散热效率提高。但是需要注意的是，随着散热效率提高，阻力也越大，即出、入口的压差在增大，这意味着需要更大功率的水泵。

图5-43 定子内表面最高温度随冷却液管道高度变化的曲线

对比图5-36和图5-37中的温度分布可知，定子内表面和冷却液管道内壁面的温度分布相差约224K。由传热学理论可知，将热传导区（定子内表面和冷却液管道内壁面之间）简化为单层圆筒壁导热，该圆筒壁的热流量ϕ的计算公式为

式中，λ是圆筒壁的平均导热系数，单位为W/（m·K），通过数值计算分别得到定子内表面和冷却液管道内壁面的平均温度后，取两个平均温度的平均值并作为λ的定性温度；l是圆筒壁的平均宽度，单位为m；t₁、t₂分别是定子内表面和冷却液管道内壁面的平均温度，单位为K；r₁、r₂分别是定子内表面和冷却液管道内壁面的半径，单位为m。

根据标准工况的仿真结果，由式（5-18）计算可得定子内表面平均温度随热传导区厚度变化曲线。改变几何模型中定子热传导区的厚度，同样可以得到定子内表面平均温度和最高温度的变化的曲线。图5-44比较了这三条曲线，式（5-18）可以估算热传导区对定子温度的影响，可见定子热传导区厚度对热量的散发具有很重要的影响。但热传导区厚度的变化，会影响缓速器中磁路的分布，如果定子厚度过小，则会使定子发生磁饱和，反而降低了缓速器的制动效能。

图5-44 定子内表面平均温度随热传导区厚度变化曲线