特種車輛動力艙壁面降溫結(jié)構(gòu)仿真研究

李 亮，王 劍，付 偉

(中國北方車輛研究所，北京100072)

由斯蒂芬-玻耳茲曼定律可知，物體紅外輻射強(qiáng)度取決于物體的溫度和物體的發(fā)射率[1]，且與物體絕對溫度的四次方成正比，因此實現(xiàn)物體紅外隱身的最有效方法是盡可能降低物體表面的輻射溫度.

在所選典型特種車輛動力艙的結(jié)構(gòu)中，蝸殼為全封閉結(jié)構(gòu)，整個動力艙被分為兩個部分.后部為包含進(jìn)排氣百葉窗、散熱器、風(fēng)扇、蝸殼等散熱系統(tǒng)風(fēng)道;前部是一個復(fù)雜密閉空間，包括發(fā)動機(jī)、傳動裝置、空氣濾清器、排煙管以及輔助系統(tǒng)等.發(fā)動機(jī)、傳動裝置以及排煙管等溫度較高，部件都在密閉的空間內(nèi)，散熱性能差，主要通過壁面向車外散熱，使動力艙壁面溫度較高，造成動力艙紅外特征明顯[2].本研究設(shè)計降低動力艙壁面溫度的結(jié)構(gòu)，希望通過引入外界冷空氣降低壁面溫度，達(dá)到減少動力艙紅外輻射的目的.

1 動力艙側(cè)壁面降溫結(jié)構(gòu)仿真研究

本研究設(shè)計動力艙側(cè)壁面雙層風(fēng)道冷卻結(jié)構(gòu)，在動力艙壁面內(nèi)側(cè)增加隔板結(jié)構(gòu)，使側(cè)壁面和動力艙之間形成空氣間隙層，在空氣間隙層前處的頂壁面開通氣口，在隔板上溫度較高的排煙管附近開6個氣孔(￠50mm)，利用冷卻系統(tǒng)風(fēng)扇一部分壓力和進(jìn)氣蝸殼上開的多個通氣孔(￠100mm)，使動力艙內(nèi)形成負(fù)壓，讓外界的冷空氣流入隔板層，從隔板開孔處流入動力艙，經(jīng)過進(jìn)氣蝸殼上的通氣孔進(jìn)入風(fēng)扇風(fēng)道，從排氣百葉窗流出車外.此結(jié)構(gòu)利用冷空氣的流動降低側(cè)壁面和動力艙內(nèi)溫度，從而降低動力艙紅外特征，如圖1所示.

圖1 動力艙隔板結(jié)構(gòu)簡圖

1.1 三維建模

動力艙側(cè)壁面降溫結(jié)構(gòu)的三維模型如圖2和圖3所示.

圖2 開孔蝸殼(氣孔￠100mm)

圖3 動力艙側(cè)壁面隔板模型

1.2 仿真結(jié)果與分析[3-4]

動力艙側(cè)壁面降溫結(jié)構(gòu)的仿真結(jié)果見圖4.從圖中可以看出由于引入外界冷空氣，側(cè)壁面溫度有明顯的降低效果.冷空氣由壁面上部流入，在壓力作用下流向排煙管壁面附近的氣孔，在冷空氣流經(jīng)的地方溫度明顯降低，氣孔附近降溫效果顯著，由于空氣間隙層前部空氣流動性差，側(cè)壁面前部溫度降低最少.排煙管附近內(nèi)側(cè)壁面溫度降低15℃ ～25℃，內(nèi)側(cè)壁面中部溫度降低了7℃ ～10℃，前部降溫效果不明顯.由于壁面內(nèi)部隔板層引入的冷空氣降低了壁面內(nèi)表面溫度，減少了從內(nèi)部傳遞到壁面外表面的熱量，使側(cè)壁面外表面溫度降低，達(dá)到了降低動力艙紅外輻射的目的.

表1是側(cè)壁面外表面原模型和降溫結(jié)構(gòu)模型在同一位置的仿真溫度對比表.從表中可以看出，壁面外表面后部溫度降低了14℃，中部溫度降低了8℃，前部溫度幾乎不變，側(cè)壁面內(nèi)外表面降溫趨勢一致.

圖4 左側(cè)壁面內(nèi)表面溫度分布圖 (K)

表1 側(cè)壁面外表面溫度對比表

1.3 蝸殼上氣孔孔徑對冷空氣進(jìn)氣量的影響

通過調(diào)整進(jìn)氣蝸殼上開孔孔徑大小，可調(diào)整冷空氣從間隙層經(jīng)過蝸殼氣孔流向排氣百葉窗的流量大小.按蝸殼氣孔進(jìn)氣總面積遞增50%的規(guī)律，分別對3個氣孔孔徑尺寸:￠50 mm，￠70 mm，￠100 mm，進(jìn)行性能和變化趨勢仿真研究.

表2是3種蝸殼氣孔空氣流量的對比表.從仿真分析結(jié)果可以看出，在滿足散熱器和風(fēng)扇設(shè)計要求的同時，蝸殼氣孔開孔越大流入間隙層的冷空氣流量越大，側(cè)壁面的降溫效果越好.本研究中蝸殼開孔處空氣流量不超過排氣窗流量的2.5%，依據(jù)前人的研究成果，此種結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的散熱器流量損失在不影響散熱器熱效率的范圍內(nèi).

表2 3種蝸殼氣孔空氣流量的比較

2 動力艙頂壁面降溫結(jié)構(gòu)仿真研究

在所選特種車輛動力艙的結(jié)構(gòu)中，發(fā)動機(jī)排氣管位于發(fā)動機(jī)上部，造成發(fā)動機(jī)上方動力艙艙蓋溫度較高，具有明顯的紅外特征.本研究取消散熱器上方艙蓋的百葉窗結(jié)構(gòu)，通過加裝動力艙蓋板把原來從百葉窗上方的進(jìn)氣方式變?yōu)榻?jīng)過艙蓋上部的水平進(jìn)氣方式，利用散熱器進(jìn)氣降低艙蓋溫度，如圖5所示.

圖5 動力艙蓋結(jié)構(gòu)簡圖

2.1 三維模型

圖6是動力艙蓋板結(jié)構(gòu)三維模型.

圖6 動力艙蓋板三維模型

2.2 仿真結(jié)果與分析

圖7 原動力艙艙蓋溫度分布圖 (K)

本研究的車輛以40 km/h速度行駛，動力艙艙蓋外表面因外界空氣流動冷卻降溫，從圖7中可以看出原動力艙艙蓋平均溫度為39℃左右，高于環(huán)境溫度7℃，其中發(fā)動機(jī)上方艙蓋溫度高于環(huán)境溫度9℃，為41℃左右.從圖8可以看出，加入蓋板后艙蓋溫度有所下降，發(fā)動機(jī)上方溫度下降到36℃，降低了5℃，整個動力艙蓋溫度約下降了4℃.

圖8 加裝蓋板后動力艙艙蓋溫度分布圖 (K)

2.3 蓋板高度對散熱器進(jìn)氣阻力的影響

蓋板高度直接影響散熱器進(jìn)氣量、進(jìn)氣速度和進(jìn)氣壓力.本研究設(shè)計了3種蓋板高度，分析蓋板高度對進(jìn)氣阻力的影響，高度分別為:50 mm，75 mm，100 mm，仿真結(jié)果見表3.

表3 三種蓋板高度進(jìn)氣阻力的比較

從表3中可以看出，蓋板結(jié)構(gòu)有一定的壓力損失，蓋板高度越低進(jìn)氣阻力越大，引入的冷空氣量越少，對壁面的降溫效果也不好，所以在車輛整體結(jié)構(gòu)允許的情況下應(yīng)盡量提高蓋板高度.

3 結(jié)論

本研究設(shè)計降低動力艙壁面溫度的結(jié)構(gòu)，希望通過引入外界冷空氣降低壁面溫度，達(dá)到減少動力艙紅外輻射的目的.

設(shè)計降低特種車輛動力艙側(cè)壁面溫度的結(jié)構(gòu)，應(yīng)用FLUENT軟件對此結(jié)構(gòu)進(jìn)行流場仿真分析，仿真結(jié)果表明:利用動力艙側(cè)壁面雙層風(fēng)道冷卻結(jié)構(gòu)可達(dá)到降低側(cè)壁面溫度的效果，側(cè)壁面降溫優(yōu)化結(jié)構(gòu)最高可使側(cè)壁面溫度降低15℃;在動力艙艙蓋上方設(shè)計加裝蓋板結(jié)構(gòu)，可以使動力艙艙蓋溫度下降4℃左右.兩種結(jié)構(gòu)能夠有效降低動力艙壁面溫度，達(dá)到減少動力艙紅外特征的目的.

[1]姚仲鵬，王瑞君，張習(xí)軍.傳熱學(xué)[M].北京:北京理工大學(xué)出版社，1995.

[2]付 偉.某履帶裝甲車輛動力艙空氣流場分析:[D].北京:北京理工大學(xué)，2008.

[3]畢小平，楊 雨.坦克排氣流場與溫度場的計算流體力學(xué)分析[J].兵工學(xué)報，2008，29(9):1025-1028.

[4]鮑積潤，畢小平.坦克動力艙空氣流動與傳熱影響因素的仿真研究[J].裝甲兵工程學(xué)院學(xué)報，2005，19(1):62-65.