艙體結(jié)構(gòu)對(duì)輔機(jī)通風(fēng)散熱性能的影響

劉　洋，　張佳卉，　劉建峰，　趙春偉，　石　軍，　周　麗，　曹元福

(中國北方車輛研究所，北京 100072)

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艙體結(jié)構(gòu)對(duì)輔機(jī)通風(fēng)散熱性能的影響

劉洋，張佳卉，劉建峰，趙春偉，石軍，周麗，曹元福

(中國北方車輛研究所，北京 100072)

輔機(jī)作為車輛的附屬供電設(shè)備，其散熱性能的好壞直接影響車輛用電設(shè)備能否正常工作.為了提高某車輛輔機(jī)的散熱性能，提出了給輔機(jī)的艙體加裝隔板的改進(jìn)方案,并采用CFD方法對(duì)該輔機(jī)艙內(nèi)部通風(fēng)性能進(jìn)行了仿真分析.然后對(duì)原始方案、改進(jìn)方案、加裝排風(fēng)扇的方案分別進(jìn)行了臺(tái)架加載試驗(yàn).試驗(yàn)結(jié)果表明：給艙體加裝隔板后，艙內(nèi)氣流組織趨于合理，進(jìn)排氣口處的風(fēng)量增加了9%，加裝隔板后的方案設(shè)計(jì)是可行的.

輔機(jī)；艙體結(jié)構(gòu)；氣流組織；CFD

輔機(jī)本身是定型產(chǎn)品，在其他定型車輛已有成熟的應(yīng)用，其本身具有良好的散熱能力.但是在實(shí)際應(yīng)用中作為獨(dú)立模塊，需要將其布置于密封艙內(nèi)，在艙體壁面上開進(jìn)排氣口.原始方案的布置形式，輔機(jī)進(jìn)、排氣口氣流短路現(xiàn)象比較嚴(yán)重，排氣流動(dòng)不暢，艙內(nèi)氣流組織紊亂、回流、短路等造成輔機(jī)運(yùn)行一段時(shí)間后艙內(nèi)溫度過高，發(fā)動(dòng)機(jī)缸蓋處的溫度過高，機(jī)油報(bào)警器報(bào)警，輔機(jī)過熱，不能正常工作.針對(duì)此現(xiàn)象，分析了輔機(jī)不能正常工作的原因，并通過加裝隔板使輔機(jī)艙內(nèi)氣流組織得到優(yōu)化，散熱風(fēng)量得到提升[1].

1　計(jì)算模型及方法

1.1控制方程組

輔機(jī)艙內(nèi)部氣流的流動(dòng)可認(rèn)為是定常不可壓縮流動(dòng)問題，滿足如下的控制方程：

連續(xù)方程

(1)

動(dòng)量方程

(2)

式中：u為速度分量；p為壓力；ρ為密度；μ為動(dòng)力粘性系數(shù).

1.2風(fēng)扇模型

目前廣為采用的CFD方法為多重參考系法(MRF)和滑動(dòng)網(wǎng)格法(Sliding Mesh)[2].滑動(dòng)網(wǎng)格法的準(zhǔn)確性高，但是占用的計(jì)算量大，一般用于軸流風(fēng)扇的性能計(jì)算.MRF法用于定常流動(dòng)的計(jì)算，相對(duì)簡單和經(jīng)濟(jì)，適用于轉(zhuǎn)子和定子之間交互作用相對(duì)較弱的葉輪機(jī)械.本研究中的發(fā)動(dòng)機(jī)自帶的風(fēng)扇為離心風(fēng)扇，采用MRF法對(duì)風(fēng)扇性能進(jìn)行預(yù)測[3].

1.3計(jì)算域模型

改進(jìn)方案與原始方案唯一的不同處是在輔機(jī)艙體內(nèi)加裝了機(jī)艙隔板，將整個(gè)計(jì)算域分為進(jìn)氣域和排氣域兩部分，如圖1所示.

圖1　改進(jìn)方案的計(jì)算域模型

1.4網(wǎng)格劃分

對(duì)進(jìn)氣域和排氣域建立非結(jié)構(gòu)四面體網(wǎng)格，網(wǎng)格數(shù)目為260萬左右.由于離心風(fēng)扇的結(jié)構(gòu)復(fù)雜，流場攪動(dòng)變化劇烈，為了保證計(jì)算的可靠性，風(fēng)扇葉片由內(nèi)到外的網(wǎng)格由密到疏過渡，結(jié)構(gòu)細(xì)小處需要進(jìn)一步處理.最終總的網(wǎng)格數(shù)為463萬左右.

1.5參數(shù)及邊界條件

默認(rèn)空氣的密度為1.225 kg/m3，動(dòng)力粘性系數(shù)為1.789×10-5kg/(m·s).輔機(jī)計(jì)算域中離心風(fēng)扇為旋轉(zhuǎn)計(jì)算域，轉(zhuǎn)動(dòng)中心為(0，0，0)，轉(zhuǎn)動(dòng)坐標(biāo)軸為(0，1，0)，轉(zhuǎn)動(dòng)角速度為3 000 r/min；設(shè)置艙體的進(jìn)氣口和排氣口分別為壓力進(jìn)口和壓力出口.由于發(fā)電機(jī)自帶的風(fēng)扇沒有數(shù)模，根據(jù)其散熱功率值，在其出風(fēng)口處定義一個(gè)300 Pa的壓力突變.

1.6求解設(shè)置

求解方法采用基于壓力的求解器，動(dòng)量及能量的離散方程采用二階迎風(fēng)格式.選擇標(biāo)準(zhǔn)的k-epsilon湍流模型，采用SIMPLE速度與壓力耦合的處理方法.參考?jí)簭?qiáng)為一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)大氣壓.

2　計(jì)算結(jié)果與分析

原始方案中艙體流域混亂，回流、短路等現(xiàn)象較嚴(yán)重. 艙體進(jìn)氣口與排氣口處的空氣流速很低，艙體內(nèi)部過熱空氣無法有效排出艙外. 流經(jīng)發(fā)電機(jī)和發(fā)動(dòng)機(jī)出口的部分熱空氣又流回入口，產(chǎn)生短路現(xiàn)象. 艙體流域中局部有漩渦發(fā)生，如圖2所示.

圖2　原始方案的流場速度分布圖

艙體加裝隔板后，進(jìn)排氣相對(duì)順暢，氣流組織相對(duì)穩(wěn)定，氣流漩渦、回流、短路現(xiàn)象得到很大的改善，如圖3所示.

圖3　改進(jìn)方案的流場速度分布圖

為了更加直觀地表現(xiàn)流場的分布，取x,z方向的流場速度分布截面，如圖4所示.

圖4　各截面分布圖

圖5～圖10分別為原始方案和改進(jìn)方案的x、z1、z2截面的流場分布圖.由圖5、圖7可知，原始方案中熱空氣從發(fā)電機(jī)流道出口流出后，沿著左側(cè)壁面回流，大量熱空氣又流入流道的入口，造成短路現(xiàn)象. 由圖7可知，熱空氣從發(fā)電機(jī)排出后，在正對(duì)壁面附近形成兩個(gè)局部渦旋，影響熱空氣的流動(dòng). 上述短路和渦旋現(xiàn)象均導(dǎo)致了發(fā)電機(jī)過熱. 加裝隔板后，發(fā)電機(jī)流道出口處熱空氣的回流減少很多，而且隔板阻斷了這部分回流流入發(fā)電機(jī)入口，如圖6所示. 另外發(fā)電機(jī)流道出口正對(duì)壁面處的渦旋消失，而且艙體進(jìn)氣口處冷空氣流速增大很多，更有利于冷空氣的流入，如圖8所示.

由圖9可知，原始方案中熱空氣從發(fā)動(dòng)機(jī)排出后，在發(fā)動(dòng)機(jī)排煙管和輔機(jī)排氣口之間形成渦旋，不利于熱空氣順利排出艙外. 加裝隔板后，上述渦旋消失，且排氣口處流場的流速增大很多，更有利于熱空氣的排出，如圖10所示.

圖5　原始方案x截面流場速度分布圖

圖6　改進(jìn)方案x截面流場速度分布圖

圖7　原始方案z1截面流場速度分布圖

圖8　改進(jìn)方案z1截面流場速度分布圖

圖9　原始方案z2截面流場速度分布圖

圖10　改進(jìn)方案z2截面流場速度分布圖

表1為艙體加裝隔板改型和原始方案的進(jìn)、排氣口處風(fēng)量大小. 改型后的風(fēng)量比原始方案增加了9%，表明在加裝隔板后，艙體內(nèi)氣流組織得到優(yōu)化，氣阻減小不少，冷卻空氣的流量增大，更有利于輔機(jī)散熱.

表1　輔機(jī)艙排氣口處風(fēng)量

3　試驗(yàn)驗(yàn)證

控制離心風(fēng)扇的轉(zhuǎn)速在3 000 r/min，給定輔機(jī)8 kW的負(fù)載，在機(jī)油濾清器、缸蓋表面分別安裝溫度傳感器，測定原始方案和加裝隔板后輔機(jī)中主要發(fā)熱件的溫度值.

試驗(yàn)結(jié)果表明，加裝隔板后輔機(jī)各測試點(diǎn)溫度有明顯下降.另外，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，在艙體的排風(fēng)口處安裝一個(gè)直徑為255 mm、靜壓力為100 Pa、額定耗功為172.8 W的排風(fēng)扇強(qiáng)制抽風(fēng)，散熱效果更加明顯.試驗(yàn)結(jié)果如表2所示.

表2　各測試點(diǎn)溫度值　℃

圖11～圖12為在相同的環(huán)境溫度17 ℃下，每間隔20 min測得的機(jī)油濾和缸蓋表面的溫度值.艙體加裝隔板后，機(jī)油濾表面的最高溫度下降了16.8%，缸蓋表面的最高溫度下降了17%.在排風(fēng)口處安裝排風(fēng)扇后散熱效果更加明顯，機(jī)油濾表面的最高溫度下降了35%，缸蓋表面的最高溫度下降了40%.

圖11　機(jī)油過濾表面測試點(diǎn)溫度值

圖12　缸蓋表面測試點(diǎn)溫度值

4　結(jié)　論

1)加裝隔板將艙體的進(jìn)氣域和排氣域分開后，能夠有效避免艙內(nèi)流場漩渦、回流和短路現(xiàn)象，冷卻風(fēng)量可增加約9%.

2)在排氣口加裝排風(fēng)扇可以有效地將艙體內(nèi)產(chǎn)生的熱空氣及時(shí)地排出艙外，同時(shí)也增加了入口處的空氣流速，使更多的冷空氣進(jìn)入艙內(nèi)散熱.

[1]姚仲鵬，王瑞君，張習(xí)軍，等.車輛冷卻傳熱[M].北京：北京理工大學(xué)出版社，2001.

[2]于勇，張俊明，姜連田.FLUENT入門與進(jìn)階教程[M].北京：北京理工大學(xué)出版社，2008:209-211.

[3]上官文斌，吳敏，王益有，等.發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻風(fēng)扇氣動(dòng)性能的計(jì)算方法[J].汽車工程，2010，32(9)：799-802.

Effect of Cabin Structure on the Ventilation and Cooling Performance for Auxiliaries

LIU Yang，ZHANG Jia-hui，LIU Jian-feng，ZHAO Chun-wei，SHI Jun，ZHOU Li，CAO Yuan-fu

(China North Vehicle Research Institute，Beijing 100072，China)

Auxiliaries being the accessory power supply equipment of vehicle，their cooling performance will influence directly whether or not the vehicle could work normally. To improve the cooling performance，a proposal of installing partition on cabin was presented and the ventilation performance inside an auxiliary engine room was simulated by CFD. Then the loading bench tests were conducted with the original scheme，the improvement scheme and the scheme of adding exhaust fans in the laboratory. The results showed that the air distribution of cabin was more reasonable and the volume of the air flowing into the exhaust increased by 9% after installing the partition board，therefore the improvement scheme was proved to be feasible.

auxiliary engine；shell structure；air distribution；CFD

1009-4687(2016)03-0044-04

2015-12-31;修回稿日期：2016-03-11.

劉洋(1986-),男,助理工程師，研究方向?yàn)檐囕v熱管理.

U264.5+6

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