叉車水箱后方散熱優(yōu)化數(shù)值仿真研究

李元松,劉 軍

（1.杭叉集團(tuán)重裝車輛研究所，浙江 杭州311305；2.西北工業(yè)大學(xué)航空學(xué)院，陜西西安710072）

叉車的冷卻系統(tǒng)擔(dān)負(fù)著發(fā)動機(jī)的冷卻作用，冷卻效果的好壞直接關(guān)系到叉車能否正常工作和發(fā)動機(jī)的使用壽命。因此，對于經(jīng)常出現(xiàn)溫度過高現(xiàn)象的叉車?yán)鋮s系統(tǒng)來說，其冷卻散熱系統(tǒng)的數(shù)值仿真分析及高效的散熱優(yōu)化分析對整個叉車的合理設(shè)計(jì)和改進(jìn)有著重要的意義。

袁俠義等[1]考慮了散熱器和高溫元件的散熱量以及空氣的對流傳熱和輻射等因素，建立了發(fā)動機(jī)艙模型。利用CFD軟件對汽車發(fā)動機(jī)艙流場進(jìn)行了數(shù)值仿真，得到了發(fā)動機(jī)艙內(nèi)部氣流的速度與溫度分布和重要元件的表面溫度等參數(shù)，最后對存在的問題提出改進(jìn)方案。謝永奇等[2]為考查某型直升機(jī)附件艙的熱控制能力，采用有限元軟件分析了其在強(qiáng)制冷卻和自然冷卻情況下的溫度場分布。應(yīng)用非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格和有限體積法進(jìn)行計(jì)算區(qū)域和控制方程的離散，采用標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型封閉湍流控制方程。針對3種冷卻系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案，分析了不同冷卻氣流進(jìn)口尺寸、相對位置以及不同附件散熱量對附件艙溫度分布的影響，計(jì)算了自然冷卻情況下附件艙密閉時的溫度場。劉曉慶[3]以ATX機(jī)箱為研究對象，利用實(shí)驗(yàn)和數(shù)值計(jì)算兩種手段對機(jī)箱的散熱情況進(jìn)行了研究。在對Fluent軟件進(jìn)行二次開發(fā)的基礎(chǔ)上，對機(jī)箱的風(fēng)冷散熱過程進(jìn)行了數(shù)值模擬，且對不同通風(fēng)孔位置和風(fēng)扇安裝情況下機(jī)箱的散熱性能進(jìn)行了研究，找到了散熱的最佳風(fēng)道結(jié)構(gòu)。

本文基于水箱后方溫度場分析的有限元數(shù)值模型，優(yōu)化叉車后部配重結(jié)構(gòu)幾何布局，同時優(yōu)化叉車內(nèi)部阻礙熱流的催化器和消音器部件的位置，目的是提高叉車的散熱效果。

1 計(jì)算模型

對某型叉車?yán)鋮s散熱系統(tǒng)及后方的三維數(shù)模，包括車架后部、配重、散熱片等。進(jìn)行有限元網(wǎng)格劃分，包括固體網(wǎng)格的劃分及流體網(wǎng)格的建立，如圖1所示，查找相關(guān)正式出版的參考文獻(xiàn)，得到相關(guān)材料及結(jié)構(gòu)的熱力學(xué)性能參數(shù)及空氣與車架壁、空氣與散熱器之間的換熱系數(shù)。建立冷卻散熱系統(tǒng)后方溫度場分析的有限元數(shù)值模型，計(jì)算并求解，得到冷卻散熱系統(tǒng)后方的熱場分布，如圖2所示。

圖1 計(jì)算模型切面顯示

圖2 配重后方空氣溫度分布流線圖

計(jì)算得到配重孔表面左中右三塊的溫度分布，于是，得到配重孔外表面的實(shí)驗(yàn)溫度和計(jì)算溫度分布。表1給出了計(jì)算溫度與實(shí)測溫度的值，實(shí)驗(yàn)溫度測量總和為105.7℃，計(jì)算溫度總和為90.8℃，二者相對誤差為14.1%，在項(xiàng)目要求的誤差15%以內(nèi)。

表1 目標(biāo)面實(shí)驗(yàn)溫度和計(jì)算溫度分布

2 優(yōu)化方案及結(jié)果

叉車散熱可將水箱中的熱量向外散出，保證車體內(nèi)部的溫度不至于過高。針對之前基于熱流耦合計(jì)算分析得到的叉車溫度場及流場特性，本章節(jié)對叉車部分構(gòu)型進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，使得車體的散熱效果更佳。由于車體結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，進(jìn)行大的優(yōu)化改動是不現(xiàn)實(shí)的，結(jié)合實(shí)際情況，本文將優(yōu)化的重點(diǎn)放在配重孔外形以及尾氣管道的位置改變上。

2.1 優(yōu)化方案一：配重孔形狀優(yōu)化

配重的出風(fēng)口外形的改變會對整體的散熱效果產(chǎn)生影響。由于設(shè)計(jì)的限制以及車體自身特性的影響，大幅度的改變出風(fēng)口的形狀是不現(xiàn)實(shí)的，所以只能采取稍微的改動，使得其散熱效果有所改善。顯然，出風(fēng)口的面積越大，則總的質(zhì)量流量會增多，這樣同一時間車體內(nèi)部流出的熱量增多，從而可以提升散熱效果。本著這一原則，在盡量不影響車體的情況下，對出風(fēng)口的形狀做出改動，使得通風(fēng)面積增大。具體的方法即將出風(fēng)口下部進(jìn)行切削，分別向下切5 mm以及10 mm。如圖3所示。

圖3 配重孔向下切削5 mm和10 mm的后孔的形狀

設(shè)置同樣的計(jì)算條件，對配重孔向下切削一定長度后的兩種配重孔構(gòu)型的溫度場以及流場進(jìn)行熱流耦合計(jì)算，并與優(yōu)化之前的原始結(jié)構(gòu)的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對比。選擇配重出風(fēng)口處的三處截面作為目標(biāo)面，計(jì)算其平均溫度，兩種情況的計(jì)算結(jié)果如圖4和圖5所示，圖4為配重孔向下切5 mm的流場溫度分布及目標(biāo)面左中右三部分溫度分布，圖5為配重孔向下切10 mm的流場溫度分布及目標(biāo)面左中右三部分溫度分布。

圖4 配重孔向下切削5 mm的流場溫度分布及目標(biāo)面左中右三部分溫度分布

圖5 配重孔向下切削10 mm的流場溫度分布及目標(biāo)面左中右三部分溫度分布

采取相同的計(jì)算條件進(jìn)行計(jì)算，得到的出風(fēng)口處的三處截面的平均溫度如表2所示。可以看出，出風(fēng)口面積的增大對于散熱是十分有利的。其主要效果在于增大了排出的熱流流量，使得同一時間排出的熱能量增多。

表2 配重構(gòu)型優(yōu)化后的計(jì)算結(jié)果

2.2 優(yōu)化方案二：消聲器管道位置優(yōu)化

消聲器管道位于散熱器的后方，由于其本身具有較高溫度，因此散熱器的氣流也可以將其熱量向配重出風(fēng)口吹出，從而降低車體內(nèi)的溫度。但是從前面的分析可以看出，因?yàn)橄暺鞴艿赖淖钃踝饔?，使得散熱器的氣流吹出時會受到影響，因此希望在不改變消聲器管道基本結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，利用車體內(nèi)部的空間，將其位置做小的調(diào)整來分析其對整車散熱性能的影響。優(yōu)化調(diào)整的方式是將消聲器管道位置向下和向后同時稍微移動，以保證正對出風(fēng)口氣流的流暢性。消聲器管道原始位置以及兩次調(diào)整后的管道位置如圖6所示。

圖6 消聲器管道原始位置以及兩次優(yōu)化調(diào)整后的管道位置

對消聲器原始位置及兩次位置優(yōu)化調(diào)整的配重后方的溫度場以及流場進(jìn)行計(jì)算。同樣，選擇配重出風(fēng)口處的三處截面，計(jì)算其平均溫度，三種情況的計(jì)算結(jié)果如圖7和圖8所示，圖7為消聲器管道位置第一次優(yōu)化調(diào)整后流場溫度分布目標(biāo)面左中右溫度分布，圖8為消聲器管道位置第二次優(yōu)化調(diào)整后流場溫度分布目標(biāo)面左中右溫度分布。

圖7 消聲器管道位置第一次優(yōu)化調(diào)整后流場溫度分布目標(biāo)面左中右溫度分布

圖8 消聲器管道位置第二次優(yōu)化調(diào)整后流場溫度分布目標(biāo)面左中右溫度分布

在同樣的計(jì)算條件下對消聲器位置兩次優(yōu)化調(diào)整的配重后方的流場溫度分布進(jìn)行計(jì)算，并與消聲器原始位置計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對比，選擇配重出風(fēng)口處的三處截面作為目標(biāo)面，計(jì)算其平均溫度，將三種消聲器三種不同位置的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行比較，如表3所示。

表3 消聲器管道位置優(yōu)化調(diào)整后溫度場計(jì)算結(jié)果

可以看出，三種情形的總溫度呈現(xiàn)減小的趨勢，說明了調(diào)整后的兩種情形的散熱特性稍微變差。究其原因，盡管管道后部向下向后移動，可以使得正對出風(fēng)口的氣流流暢性增大，但是向下移動后，對散熱器的性能產(chǎn)生了不利的作用。

3 結(jié)束語

本文針對某型叉車水箱后方的三維數(shù)模進(jìn)行了合理簡化，進(jìn)行流體網(wǎng)格劃分，設(shè)置常見的邊界條件及求解參數(shù)，最后得到叉車后方的熱場分布。并將計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了對比，二者吻合較好，表明本文計(jì)算模型的合理性。

冷卻系統(tǒng)后方的配重出風(fēng)口是車體最重要的熱流流出通道，因而對其進(jìn)行切削優(yōu)化后，出風(fēng)口的面積稍微增大，熱流量增大，散熱效果變好。所以，建議后續(xù)的冷卻系統(tǒng)散熱設(shè)計(jì)需要考慮配重孔形狀及大小的修改。

對消聲器和催化器管道位置的優(yōu)化調(diào)整散熱仿真結(jié)果表明，消聲器與催化器的位置改變使配重后方流場溫度總體升高。分析其原因，認(rèn)為雖然經(jīng)過消聲器和催化器的位置調(diào)整，使得散熱器某部分的流動阻礙減小，但是其它部分的較高溫度的熱流流動卻受到影響，因而其散熱變差。

[1]袁俠義，谷正氣，楊 易.汽車發(fā)動機(jī)艙散熱的數(shù)值仿真分析[J].汽車工程，2009（9）：843-848.

[2]謝永奇，余建祖，王先煒.直升機(jī)附件艙溫度場數(shù)值模擬[J].航空動力學(xué)報(bào)，2008（4）：629-634.

[3]劉曉慶.臺式電腦機(jī)箱散熱的數(shù)值模擬及優(yōu)化[D].南京：南京理工大學(xué)，2012.