基于CFD仿真的大馬力平地機(jī)散熱性能分析與改進(jìn)

閆鵬舉　張碩　劉立偉　李楠國　郄亞娜　邢夢(mèng)龍

摘要：為解決大馬力平地機(jī)在施工時(shí)的系統(tǒng)過熱現(xiàn)象，結(jié)合國內(nèi)某型大馬力平地機(jī)建立三維模型，將整機(jī)模型置于虛擬風(fēng)洞內(nèi)， 利用CFD對(duì)三維模型進(jìn)行數(shù)值計(jì)算，尋找系統(tǒng)過熱的原因，實(shí)施相應(yīng)改進(jìn)，并確認(rèn)改進(jìn)的有效性。結(jié)果表明：冷卻液散熱器散熱面積過小、冷卻風(fēng)扇風(fēng)量不足、熱空氣回流至散熱器上側(cè)空氣入口是致使系統(tǒng)過熱的主要原因；增大散熱器高度可以增加散熱面積，增強(qiáng)散熱能力；增大冷卻風(fēng)扇直徑可以提高冷卻風(fēng)量；規(guī)劃動(dòng)力艙空氣出口可以避免熱空氣回流；3個(gè)方案同時(shí)實(shí)施，可解決該型平地機(jī)系統(tǒng)過熱的問題。

關(guān)鍵詞：CFD；平地機(jī)；系統(tǒng)過熱；散熱性能

中圖分類號(hào)：U415.51文獻(xiàn)標(biāo)志碼：B

Abstract： In order to solve the overheat problem of highpowered grader during construction， a 3D model for a certain type of domestic highpowered grader model was built and put into the wind tunnel. CFD was applied to conduct the calculation of the model， aiming to find out the causes of the overheat problem. Improvement was made and checked for the validity. It is found out that there are three causes， including small heat transfer area of the radiator， insufficient air volume flow generated by the cooling fan and hot air that flows back to the air entrance of the cabin. Increasing the radiator height would bring additional heat transfer area to enhance the capacity of heat exchange. Larger cooling fan could offer more air to the radiator， and appropriate air exit could avoid backflow of the hot air. The overheat problem could be worked out with the implementation of such improvements.

Key words： CFD； grader； system overheat； heat dissipation

0引言

平地機(jī)是一種被廣泛使用的土方機(jī)械，主要應(yīng)用于礦山和路面施工建設(shè)、地面平整和挖溝、刮坡、推土、松土、除雪等作業(yè)所必須的工程機(jī)械。平地機(jī)一般以發(fā)動(dòng)機(jī)輸出馬力數(shù)值區(qū)分所屬序列：260以上屬于大馬力；165～230屬于中等馬力；135以下屬于小馬力。近年來，大馬力平地機(jī)逐步被應(yīng)用于路面施工，但由于連續(xù)工作時(shí)間長(zhǎng)會(huì)出現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力系統(tǒng)過熱的現(xiàn)象，導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)損壞、無法正常工作。究其原因，表面是冷卻系統(tǒng)工作性能不足，實(shí)際上，則是設(shè)計(jì)人員對(duì)產(chǎn)品散熱性能理解不夠充分。冷卻系統(tǒng)是由冷卻風(fēng)扇與散熱器組成，通常使用選型設(shè)計(jì)法匹配，但應(yīng)用該法往往會(huì)出現(xiàn)理論與實(shí)際性能差異較大現(xiàn)象。

為了解決該問題，國內(nèi)外學(xué)者積極地展開研究，浙江大學(xué)的俞小莉教授對(duì)散熱器自身的幾何特征進(jìn)行研究，以便降低其阻力特征，提升換熱性能[1]；吉林大學(xué)的秦四成教授將動(dòng)力艙內(nèi)視為多熱源集成系統(tǒng)，從熱量生成、傳導(dǎo)進(jìn)行艙內(nèi)散熱性能研究[2]；裝甲兵工程學(xué)院的畢小平教授通過降低風(fēng)道阻力提升動(dòng)力艙內(nèi)的散熱器性能[3]；吉林大學(xué)的劉佳鑫利用虛擬風(fēng)洞結(jié)合CFD的方式對(duì)車輛散熱器換熱性能進(jìn)行了一系列研究[47]，這些研究均在一定程度上為動(dòng)力艙內(nèi)的散熱性能分析做出了貢獻(xiàn)。

綜上，本文結(jié)合國內(nèi)某型300馬力平地機(jī)，使用CFD仿真的方法尋找并分析其散熱性能不足的原因，以此為基礎(chǔ)對(duì)大馬力平地機(jī)進(jìn)行改進(jìn)。

1仿真模型

1.1散熱器

從傳熱學(xué)角度分析，采用壓阻與換熱量表達(dá)散熱器自身性能[810]。本文采用效能傳熱單元數(shù)法（εNtu）進(jìn)行性能計(jì)算

式中：ε為傳熱效能；e為自然對(duì)數(shù)；Ntu為傳熱單元數(shù)目；Cr為冷熱體兩者中相對(duì)最小和相對(duì)最大熱容比值，可簡(jiǎn)化為熱容比；Qr為散熱器換熱量；Th為熱流體流入溫度；Cmin為冷熱流體中的最小熱容；Tc為空氣流入溫度；Cp1、Cp2分別為熱流體與空氣的定壓比熱容；m1、m2分別為熱流體與空氣的質(zhì)量流量；△P為壓阻；ρ為空氣密度；Ac為通流面積；Kc為進(jìn)口壓強(qiáng)損失系數(shù)；Ke為出口壓強(qiáng)損失系數(shù)；f為范甘寧摩擦因子；l為空氣流動(dòng)長(zhǎng)度；Dh為水力直徑。

1.2冷卻風(fēng)扇

式中：Δp為風(fēng)扇前后端的壓差；fn為多項(xiàng)式系數(shù)；v為與風(fēng)扇出口空氣矢量大?。籒為多項(xiàng)式數(shù)目。

1.3整車物理模型

本文分析樣機(jī)為國內(nèi)某型300馬力平地機(jī)模型，具體見圖1，性能參數(shù)如表1所示。

參照分析樣機(jī)的圖紙，建立三維模型，盡量在不影響結(jié)果的前提下，剔除細(xì)節(jié)如連接螺栓等，對(duì)三維模型進(jìn)行簡(jiǎn)化，具體簡(jiǎn)化模型如圖2所示。

2數(shù)值仿真

2.1網(wǎng)格劃分

散熱器等區(qū)域采用六面體網(wǎng)格，冷卻風(fēng)扇、導(dǎo)風(fēng)罩區(qū)域采用四面體網(wǎng)格，動(dòng)力艙內(nèi)空間采用2種網(wǎng)格。為了優(yōu)化計(jì)算資源，控制網(wǎng)格數(shù)目，按比例因子放大，在動(dòng)力艙網(wǎng)格基礎(chǔ)上，放大網(wǎng)格至整個(gè)風(fēng)洞。劃分后網(wǎng)格總量約為7 851 392，無扭曲和負(fù)體積網(wǎng)格，網(wǎng)格模型如圖3所示。

2.2邊界設(shè)定

在預(yù)處理軟件中對(duì)已經(jīng)劃分好的網(wǎng)格模型設(shè)定邊界，恒定邊界條件如表2所示，散熱器邊界條件如表3所示。在空氣密度為1109 kg·m-3，粘度設(shè)置為202×-5kg·（m·s）-1、導(dǎo)熱系數(shù)為0029 2 W·（m·℃）-1、定壓比熱容為1 00943 J·（kg·℃）-1下，設(shè)定工作環(huán)境為標(biāo)準(zhǔn)大氣壓，標(biāo)準(zhǔn)Ke湍流模型。

3結(jié)果分析

分析結(jié)果的縱向切片空氣狀態(tài)云圖見圖4，由圖4（a）溫度云圖可知，動(dòng)力艙內(nèi)的空氣溫度有2個(gè)較高的區(qū)域，分別位于隔板的兩側(cè)，按照車身方向分別稱為前部動(dòng)力艙和后部動(dòng)力艙。在前部動(dòng)力艙中，消聲器附近的空氣溫度較高，為82.5 ℃～86.2 ℃，消聲器周圍溫度接近120 ℃，但是由于存在隔斷，這部分高溫空氣沒有對(duì)散熱器進(jìn)口處的空氣產(chǎn)生較大影響。在后部動(dòng)力艙中，散熱器空氣入口附近溫度為環(huán)境溫度45 ℃，但是后部上側(cè)空氣出口處出現(xiàn)了局部高溫，為82.5 ℃～86.2 ℃。同時(shí)，從圖中可以看到部分高溫空氣已經(jīng)影響散熱器入口處的空氣溫度。散熱器內(nèi)部的空氣溫度從左至右，呈梯度特征升高，在流程末端，出現(xiàn)了937 ℃～975 ℃的高溫區(qū)域。之所以出現(xiàn)這種現(xiàn)象是由于參與換熱的空氣流量不足，致使散熱器末端翅片壁面與空氣溫度差異較小，換熱效果降低。為了進(jìn)一步尋找問題根源，單獨(dú)對(duì)散熱器做了風(fēng)道試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果表明散熱器性能效率約為82.58%，但冷卻性能余量較小，無法保證動(dòng)力艙內(nèi)工作性能，需要更換。

由圖4（b）壓強(qiáng)云圖可知，冷卻風(fēng)扇前端出現(xiàn)低壓，這是由于受風(fēng)扇的機(jī)械作用，前段空氣減少。而散熱器前端低壓區(qū)域也較為明顯，這是由于冷卻風(fēng)扇前段的低壓區(qū)域與大氣壓有差異，壓強(qiáng)呈梯度變化。

為了進(jìn)一步了解后部上側(cè)空氣出口處的空氣溫度對(duì)散熱器空氣入口處空氣溫度的影響，在后處理中提取高溫空氣流動(dòng)矢量圖，具體如圖5所示。由圖5可知，回流空氣最高溫度在80 ℃左右，受其影響，中冷器前端的空氣溫度升高，為53.7 ℃～55.5 ℃。這種現(xiàn)象對(duì)于散熱器的工作性能極為不利，間接降低了散熱系統(tǒng)性能。

在明確回流空氣的流向后，進(jìn)一步明確回流熱空氣溫度數(shù)值范圍，將溫度范圍分別調(diào)整至45 ℃～80 ℃、70 ℃、60 ℃、50 ℃，如圖6所示。隨著范圍的縮小，可以看到，前部動(dòng)力艙上側(cè)空氣出口處有少量的熱空氣回流，大部分的熱空氣從風(fēng)扇后端回流，散熱器均在不同程度上受到影響。

對(duì)動(dòng)力艙內(nèi)的空氣狀態(tài)做橫向切片，如圖7所示，溫度與壓強(qiáng)云圖，分別見圖7（a）、圖7（b）。由圖7（a）可知，在后部動(dòng)力艙2個(gè)側(cè)面的空氣出口處，沒有出現(xiàn)空氣回流。由圖7（b）可知，風(fēng)扇和散熱器前段的梯度低壓區(qū)域較為明顯，但是受到上部空氣回流影響，散熱器前端低壓區(qū)域并不連續(xù)。

綜合以上的分析結(jié)果，可以進(jìn)一步確定致使系統(tǒng)出現(xiàn)過熱的原因：散熱器的散熱面積過小，致使散熱器性能余量過小，無法滿足動(dòng)力艙對(duì)散熱性能的要求；冷卻風(fēng)扇直徑過小，導(dǎo)致所提供的風(fēng)量不足；動(dòng)力艙上部的熱空氣回流影響明顯，間接降低了散熱系統(tǒng)的工作性能。

4改進(jìn)方案及結(jié)果對(duì)比

針對(duì)已經(jīng)確定的3個(gè)原因，同時(shí)實(shí)施改進(jìn)，具體內(nèi)容如表4所示。

對(duì)改進(jìn)后的模型進(jìn)行CFD仿真，保持恒定邊界、散熱器邊界、空氣邊界不變，提取縱向切片空氣溫度云圖，具體見圖8。由圖8可知，前部動(dòng)力艙空氣溫度變化不大，主要變化集中于后部動(dòng)力艙，散熱器內(nèi)部的空氣溫度降低，高溫區(qū)域減少，較為明顯之處在于動(dòng)力艙上部空氣入口處回流熱空氣消失，同時(shí)散熱器末端大部分空氣溫度降低至83.9 ℃～87.5 ℃。

提取并對(duì)比散熱器中熱流體出口溫度，具體見表5。由表中數(shù)據(jù)可知，改進(jìn)后的冷卻液出口溫度明顯降低，下降了127 ℃，中冷器、液壓油散熱器、變矩油散熱器中熱流體出口溫度分別下降了20.59 ℃、6.08 ℃、4.53 ℃，改進(jìn)效果明顯，證明改進(jìn)方案有效。

5結(jié)語

本文結(jié)合國內(nèi)某型大馬力平地機(jī)，在虛擬風(fēng)洞下利用CFD仿真對(duì)物理模型進(jìn)行數(shù)值計(jì)算，結(jié)合計(jì)算結(jié)果，尋找致使系統(tǒng)過熱的原因，并通過增加散熱器高度、增大冷卻風(fēng)扇直徑、規(guī)劃動(dòng)力艙出口等方式實(shí)施系統(tǒng)改進(jìn)。最終得到結(jié)論如下。

（1） 冷卻液散熱器散熱面積過小、冷卻風(fēng)扇風(fēng)量不足、熱空氣回流至散熱器入口是致使系統(tǒng)過熱的主要原因。

（2） 增大散熱器高度可以增加散熱面積，增強(qiáng)散熱能力；增大冷卻風(fēng)扇直徑可以提高冷卻風(fēng)量；規(guī)劃動(dòng)力艙空氣出口可以避免熱空氣回流，3個(gè)方案同時(shí)實(shí)施可解決該型平地機(jī)系統(tǒng)過熱的問題。

（3） 通過CFD仿真的方式，可以快速獲取散熱系統(tǒng)性能特征，縮短樣機(jī)改進(jìn)與試驗(yàn)周期，有利于提升設(shè)計(jì)效率，拓展設(shè)計(jì)手段。

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[責(zé)任編輯：高甜]