裝甲車輛進排氣格柵的氣動特性試驗研究與防護性能分析

李云龍，趙長祿，張付軍，李欣，王湘卿

(1.北京理工大學 機械與車輛學院國防動力系統(tǒng)重點實驗室，北京100081;2.中國北方車輛研究所，北京100072)

0 引言

現代裝甲車輛動力艙集成化研究使動力艙的容積功率大幅提高，成倍增長的發(fā)熱量使冷卻系統(tǒng)成為裝甲車輛的設計難點之一。為實現冷卻系統(tǒng)低阻高效循環(huán)，降低系統(tǒng)功耗，勢必要加強冷卻系統(tǒng)的優(yōu)化與匹配研究，格柵作為冷卻系統(tǒng)的重要部件，對它的研究逐漸引起我們的重視。

裝甲車輛格柵的用途就是讓冷卻空氣盡可能的大量通過，以滿足車輛動力傳動裝置冷卻的需要，同時又能夠最大限度的保護動力艙內的散熱器、風扇、油管等其他重要部件，使其免遭射彈、子彈和彈片的襲擊。格柵的研究主要立足于車輛對散熱、防護與重量的綜合要求，即以最小的質量獲得足夠量的冷卻空氣和防彈能力。國內外對其研究的資料和相關報道較少。文獻1 中，美國陸軍坦克機動車局對二戰(zhàn)以來美軍裝甲車輛普遍采用的幾種進排氣格柵展開了氣流阻力特性試驗研究，試驗證明:試驗結果對估計實際車輛格柵組件的節(jié)流阻力和空氣流量是很有效的。文獻2 對格柵實際測量數據的有效性和影響精度因素加以分析，并建立測量分析模型，通過推導計算，求得更加接近實際工況的流量，并進一步驗證所建立數學模型的正確。文獻3 對裝甲車輛格柵的設計與布置原則進行了詳細闡述。文獻4 對兩種形式的百葉窗進行了仿真與優(yōu)化分析，證明了基于CFD 分析的百葉窗結構優(yōu)化模型的可行性。

國內對裝甲車輛進排氣格柵氣動性能和防護性能的系統(tǒng)研究甚少，基本是選型仿制。近幾年逐漸開展了仿真優(yōu)化分析，這些研究結果為格柵的設計和應用提供了一定的參考。本文以試驗研究為主，運用低速風洞計與試驗原理，模擬裝甲車輛動力艙特點，建立了格柵氣動特性試驗臺。對國內外十幾種典型的裝甲車輛格柵進行了詳細的氣動性能試驗，得出了不同結構格柵的氣動性能試驗關聯式;對比分析了不同結構格柵的氣動性能與防護性能。

1 試驗研究

1.1 試驗裝置及模型

充分借鑒國內外低速風洞的成熟經驗，并吸取了美國陸軍坦克機動車局實驗室的格柵氣流試驗裝置的優(yōu)點，設計了裝甲車輛格柵氣動性能試驗裝置［1，5－6］。試驗裝置的空氣通道由下列6 部分組成:1)雙扭線型的進氣段;2)4.6°的收縮角使氣流加速而沒有氣流分離，保證流動品質的收縮段;3)提高氣流勻直度、降低湍流度的整流段;4)測量與觀察的試驗段;5)4.6°的擴散角降低氣流速度，減少能量損失的擴壓段;6)根據裝甲車輛進排氣格柵的布置特點，設計了一個艙室來模擬冷卻空氣進出格柵的通道。

驅動系統(tǒng)由可控交流伺服電機和其驅動的軸流Φ390 風扇組成，風扇可以實現正、反兩個方向的轉換，因此該試驗裝置可以分別完成進氣與排氣兩種試驗測試。

試驗測試裝置主要包括:試驗段中安裝有測試流速的笛型畢托管，也可用二維激光多普勒測試儀(LDV);在集氣艙室處有測量格柵前后壓差的測試裝置。試驗裝置及其主要測試設備見圖1。

圖1 格柵氣動性能試驗裝置及測試設備示意圖Fig.1 Grille aerodynamic experiment device and test equipment sketch

本研究按照1∶1的比例，根據不同葉型、安裝角、節(jié)弦比等參數，加工了十幾種進排氣格柵模型，這些模型較全面的包含了國內外裝甲車輛所采用的格柵型式，試驗裝置實物及部分格柵試驗模型見圖2和圖3。

1.2 試驗方法

依據《航空航天器低速風洞測力試驗方法》，在試驗裝置的試驗段，用笛型畢托管測量通過格柵的風量，再換算成空氣通過格柵的氣流速度。在集氣艙側壁開孔，利用微壓差計測試格柵前后壓力降。

1.3 試驗結果及分析

本研究為格柵的數據庫積累了大量的基礎數據，這些數據對裝甲車輛格柵的優(yōu)化設計，以及冷卻系統(tǒng)的匹配優(yōu)化設計都是非常有效的。部分格柵的氣動特性試驗曲線及試驗關聯式見圖4和圖5。

圖2 試驗裝置實物圖Fig.2 Experiment device photo

圖3 試驗模型Fig.3 Experiment model

圖4 折板式與雙折板式進氣格柵Fig.4 Hipped plate and double－h(huán)ipped plate intake grille

選取我國與美軍同一類型裝甲車輛的進排氣格柵進行氣動性能對比分析，見圖6和圖7.從中可以看出，在格柵處流速相同的情況下，美軍裝甲車輛格柵的氣動性能較差。對美軍其他葉型格柵的試驗研究也同樣證明，美軍裝甲車輛格柵的氣動性能普遍比我國格柵差，但從另一方面說明其格柵的防護性能普遍比我國格柵好，這與美軍在裝甲車輛上著重追求防護性能的設計思想是一致的。

圖5 單圓弧式與單圓弧翼型排氣格柵Fig.5 Single－arc and single－arc wing venting grille

圖6 魚鉤式與單圓弧式R74 格柵對比(進氣)Fig.6 Fishhook grille and single－arc R74 grille contrast (Intake)

圖7 人字式與單圓弧式R145 格柵對比(排氣)Fig.7 Herringbone grille and single－arc R145 grille contrast (Venting)

2 裝甲車輛格柵防護性能分析

理想的格柵設計，應當是提供和它所代替的裝甲一樣的防護能力，而不對空氣產生節(jié)流阻力，也不增加質量，但這3 個設計因素是矛盾的，需要設計者在足夠的空氣流量、防護能力和格柵質量之間，尋找一種最佳的折中方案。其中，空氣流量是根據動力傳動裝置的散熱量計算得到的，不宜對其進行折中。因此，在保證空氣流量的前提下，氣流阻力、防護能力和重量是主要優(yōu)化設計方面。

影響格柵防護性能的因素主要有:材質、葉片厚度和葉型結構。本文提出了開度系數ζ，作為從葉型結構方面來評價裝甲車輛格柵防護性能的無量綱參數。

式中:ψ 為兩片葉柵之間彈片或其他雜物能直射入艙室的最大角度，圖8為某型式進氣格柵入射角示意圖。

圖8 某型式進氣格柵彈片入射角示意圖Fig.8 Some intake grille shrapnel incidence angle sketch

在材質和葉片厚度一定的條件下，ζ 值越小表示格柵的防護能力越強，影響ζ 值的結構參數主要有葉片形狀、葉片安裝角和節(jié)弦比。

圖9是開度系數相同的直板式與單圓弧翼型格柵的氣動性能對比圖，從圖中可以看出，單圓弧翼型格柵的氣動性能優(yōu)于直板式，說明格柵葉型的優(yōu)化設計，可以進一步提高格柵的氣動性能。另外，如圖4所示，雙折板式格柵的氣動性能較折板式差，但其開度系數卻較大，說明雙折式格柵的設計在氣動性能和防護性能上均不佳。

圖9 直板式與單圓弧翼型對比(排氣)Fig.9 Straight－plate grille and single－arc wing grille contrast (Venting)

表1總結了美軍裝甲車輛幾種常用類型格柵的開度系數，表2總結了我國部分裝甲車輛格柵的開度系數。

表1 美軍幾種常用格柵開度系數Tab.1 Grille opening coefficients used by US army usually

表2 我國部分裝甲車輛格柵開度系數Tab.2 Grille opening coefficients of several armored vehicles in China

從表1和表2不難看出，美軍裝甲車輛格柵在防護性能上考慮的非常突出，而我國裝甲車輛格柵設計主要考慮了氣動性能。從大量的數據分析得出，主戰(zhàn)坦克等一線車輛格柵的開度系數在0.25 左右，裝甲運輸車、導彈發(fā)射車等二、三線車輛格柵的開度系數在0.4～0.5.

綜上分析，美國等西方國家裝甲車輛追求目標的順序是防護性、機動性與火力，防護放在了第一位。而我國裝甲車輛追求的首先是火力，其次是機動性，然后才是防護性，因而為了保障車輛的戰(zhàn)斗力和動力傳動的優(yōu)異性能，在防護方面做了一些讓步。一般來說，在裝甲車輛進排氣格柵的多目標優(yōu)化設計中，氣動性能和防護性能往往是相互矛盾的，它們不能同時達到最優(yōu)解。這需要在各個目標函數的最優(yōu)解之間進行相互協(xié)調，以便取得整體最優(yōu)的方案。

3 結論

1)設計了裝甲車輛進排氣格柵氣動性能試驗裝置，試驗證明:該裝置具有氣流穩(wěn)定、低湍流度、測試準確、操作方便等特點。對國內外多種葉型格柵進行了詳細的氣動性能試驗，積累了大量的格柵氣動性能試驗數據，為冷卻系統(tǒng)匹配優(yōu)化設計提供了有力的依據。

2)提出了開度系數ζ 作為格柵防護性能的評價指標，并對不同用途的裝甲車輛進排氣格柵的開度系數范圍做出了界定。

References)

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