某特種車發(fā)動(dòng)機(jī)艙散熱系統(tǒng)優(yōu)化及流場(chǎng)分析

張三軍，時(shí) 巖

（南京理工大學(xué) 機(jī)械學(xué)院，南京 210094）

0 引言

散熱系統(tǒng)是整車的重要組成部分，其性能好壞直接決定發(fā)動(dòng)機(jī)艙工作的穩(wěn)定性。特種車輛發(fā)動(dòng)機(jī)艙內(nèi)部結(jié)構(gòu)復(fù)雜，對(duì)稱性差；大功率、大體積部件密集度高，線路、油路在艙內(nèi)布置更加復(fù)雜，在空氣流動(dòng)和熱傳遞相互影響下，發(fā)動(dòng)機(jī)艙散熱困難日益凸出[1～3]。

散熱器散熱問題向來是研究發(fā)動(dòng)機(jī)艙散熱問題的重點(diǎn)，導(dǎo)致散熱器散熱困難的原因通常有結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)布局不合理、部件功能故障以及長(zhǎng)時(shí)間使用性能老化等。國(guó)內(nèi)外研究此類問題，早期是通過理論計(jì)算、試驗(yàn)驗(yàn)證以及從業(yè)經(jīng)驗(yàn)來解決；自仿真技術(shù)快速發(fā)展后，通過仿真手段能夠?qū)ぷ鬟^程及結(jié)果進(jìn)行可視化、可量化展現(xiàn)[4]，方便設(shè)計(jì)以及問題排查，仿真技術(shù)占據(jù)著越來越重要的位置。福特公司采用在散熱器周圍加裝空氣擋板的方法來增加散熱器空氣流量，通過仿真分析，改進(jìn)后的結(jié)構(gòu)使得空氣通過散熱器的流量有一定的提升，提高了散熱效率[5]。

本文主要研究?jī)?nèi)容：為提高某特種車的機(jī)動(dòng)性和通過性，在某越野車的基礎(chǔ)上進(jìn)行底盤改進(jìn)，縮短前后懸尺寸，致使發(fā)動(dòng)機(jī)艙空間與原散熱系統(tǒng)不匹配，后將散熱器從發(fā)動(dòng)機(jī)前方移至發(fā)動(dòng)機(jī)上方，出現(xiàn)散熱器散熱困難問題。通過CFD方法對(duì)其進(jìn)行流場(chǎng)分析，找出散熱器散熱困難的原因，給出解決問題的方法，最后通過熱平衡驗(yàn)證，確保車輛發(fā)動(dòng)機(jī)艙散熱系統(tǒng)的散熱性能滿足設(shè)計(jì)要求。

1 發(fā)動(dòng)機(jī)艙模型建立

1.1 數(shù)學(xué)模型

假設(shè)整個(gè)流動(dòng)過程為穩(wěn)態(tài)湍流，發(fā)動(dòng)機(jī)艙氣密性良好，空氣為不可壓縮且忽略重力影響，忽略固體壁面的熱輻射，空氣流動(dòng)與熱傳遞耦合。根據(jù)以上假設(shè)，發(fā)動(dòng)機(jī)艙內(nèi)空氣流動(dòng)和傳熱的控制方程[6]可描述如下：

1）質(zhì)量守恒定律

質(zhì)量守恒方程又稱連續(xù)性方程。

2）動(dòng)量守恒定律

3）能量守恒定律

式中：cp為比熱容，T為熱力學(xué)溫度，K為流體傳熱系數(shù)，ST為黏性耗散項(xiàng)。

4）湍流控制方程

湍流模型采用常用的k-ε兩方程模型。

湍動(dòng)能方程為：

湍流耗散率方程為：

1.2 幾何模型

該特種車由于取消前擋風(fēng)玻璃設(shè)計(jì)，使得發(fā)動(dòng)機(jī)艙在高度上有充裕的空間放置散熱器及風(fēng)扇等。采用散熱器上置式散熱系統(tǒng)模型如圖1所示。

圖1 散熱系統(tǒng)模型

為減小計(jì)算機(jī)工作量，對(duì)整車模型進(jìn)行簡(jiǎn)化，去除駕駛艙及尾部，只研究發(fā)動(dòng)機(jī)艙空間內(nèi)熱源與空氣的熱交換情況，簡(jiǎn)化車燈、螺栓、卡箍帶、細(xì)管、輪胎等對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)艙內(nèi)流動(dòng)和傳熱影響較小的部分，建立發(fā)動(dòng)機(jī)艙模型如圖2所示。

圖2 發(fā)動(dòng)機(jī)艙模型

2 發(fā)動(dòng)機(jī)艙散熱系統(tǒng)流場(chǎng)分析及優(yōu)化

2.1 發(fā)動(dòng)機(jī)艙散熱系統(tǒng)流場(chǎng)分析

當(dāng)散熱器移至發(fā)動(dòng)機(jī)上方后，在最大扭矩工況下出現(xiàn)散熱困難。采用FLUENT軟件對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)艙內(nèi)外流場(chǎng)耦合分析，確定計(jì)算域，劃分網(wǎng)格，設(shè)置最大扭矩工況下進(jìn)、出口及壁面等邊界條件，風(fēng)扇采用MRF模型，散熱器、中冷器采用多孔介質(zhì)模型，選擇Realizable k-ε湍流模型以及易于收斂的Simple算法和二階迎風(fēng)格式進(jìn)行離散[7]。經(jīng)迭代計(jì)算后，通過后處理，選取截面流場(chǎng)圖進(jìn)行分析，如圖3所示。

圖3 y=-0.16m截面流場(chǎng)圖

在速度矢量圖中，經(jīng)車頭進(jìn)氣格柵進(jìn)入的冷卻空氣部分從中冷器上方通過，與從引擎蓋進(jìn)氣口進(jìn)入的冷卻空氣匯合，在風(fēng)扇抽吸作用下流經(jīng)散熱器流向發(fā)動(dòng)機(jī)；從風(fēng)扇出來的部分氣流經(jīng)發(fā)動(dòng)機(jī)阻礙后，在中冷器后方集聚形成渦流。散熱器正面積空氣流量為0.207m3/s，相對(duì)較低。從溫度云圖中可以看到，散熱器周圍溫度有聚集現(xiàn)象，空氣流經(jīng)散熱器前后溫差僅為13.5，冷卻空氣給散熱器降溫效果不明顯。

導(dǎo)致散熱器散熱困難的原因在于散熱器迎風(fēng)面積進(jìn)氣量過低。

2.2 改進(jìn)措施

針對(duì)散熱器散熱困難現(xiàn)象，提出改進(jìn)措施：

1）在保證芯子面積不變的情況下，更改散熱器參數(shù)，增大散熱面積，使散熱器更易散熱。

2）調(diào)整散熱器安裝角度，改變散熱器周圍流場(chǎng)分布，增大散熱器迎風(fēng)面積進(jìn)氣量。

3）增加風(fēng)扇轉(zhuǎn)速，提高空氣流量，以改善散熱器正面積進(jìn)氣量過低狀況。

2.2.1 散熱器參數(shù)優(yōu)化

為改善散熱器散熱情況，在散熱量一定的情況下，相比于提升液氣溫差，增加散熱面積更易于實(shí)現(xiàn)[8]。受制于發(fā)動(dòng)機(jī)艙空間布局，在不改變散熱器芯子面積的情況下，采用減小散熱器散熱管數(shù)量，增加散熱帶面積的方法以實(shí)現(xiàn)增加散熱器散熱面積，從而提升散熱器散熱能力。

式中：Fa散熱帶傳熱面積；Fw散熱管散熱面積；hh波高；w波距；H1水管長(zhǎng)；L芯體厚度；N1散熱帶排數(shù)；L1水管橫截面長(zhǎng)；W1水管橫截面寬；N2水管數(shù)。

根據(jù)式(10)、式(11)對(duì)散熱器參數(shù)進(jìn)行調(diào)整，采用MATLAB命令函數(shù)fmincon處理有約束非線性多元變量的優(yōu)化問題，優(yōu)化后散熱器參數(shù)如表1所示。

表1 散熱器參數(shù)

圖4 散熱器安裝位置

2.2.2 散熱器安裝角度調(diào)整對(duì)周圍流場(chǎng)的影響

從圖4可以看到，散熱器從1位置到2位置為其在發(fā)動(dòng)機(jī)艙內(nèi)所處極限位置，通過仿真分析，散熱器在不同安裝角度下對(duì)周圍流場(chǎng)影響較大。選取4組不同安裝角度位置的仿真數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果如表2所示。

表2 散熱器在不同角度位置時(shí)仿真結(jié)果

從表中可以看到，當(dāng)散熱器與水平方向夾角30°時(shí)（即圖4中1位置），散熱器流量、中冷器流量以及空氣通過散熱器、中冷器溫差均有不同程度的提升，即散熱器在此位置時(shí)有最優(yōu)解。

2.2.3 風(fēng)扇參數(shù)調(diào)整

為增加風(fēng)扇風(fēng)量，同時(shí)抑制噪聲的升高，應(yīng)采取增大風(fēng)扇直徑，降低風(fēng)扇轉(zhuǎn)速的方法[9]。由于電動(dòng)風(fēng)扇直徑尺寸擴(kuò)展受限，只有采取小幅提升風(fēng)扇轉(zhuǎn)速的方法。

式中：Q風(fēng)扇風(fēng)量；SPL噪音聲壓級(jí)；K、K1比例系數(shù)；n風(fēng)扇轉(zhuǎn)速；d風(fēng)扇直徑。

根據(jù)式(12)、式(13)計(jì)算風(fēng)扇轉(zhuǎn)速改進(jìn)后參數(shù)變化，如表3所示。

表3 風(fēng)扇轉(zhuǎn)速提升對(duì)風(fēng)量、噪音的影響

對(duì)改進(jìn)后的散熱器進(jìn)行臺(tái)架實(shí)驗(yàn)，得出其阻力特性曲線，與風(fēng)扇在新轉(zhuǎn)速下的PQ曲線相交求出工作點(diǎn)，該點(diǎn)優(yōu)于原工作點(diǎn)，且該工作點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的散熱器散熱量大于經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算值，故風(fēng)扇與散熱器匹配合適。

2.3 改進(jìn)后仿真結(jié)果分析

在圖5速度場(chǎng)圖中可以看到，冷卻空氣流經(jīng)主要熱源部件，不存在流動(dòng)死區(qū)；冷卻空氣流經(jīng)散熱器流量有所增加，達(dá)到0.386m3/s。在溫度云圖中，可以看到空氣流經(jīng)散熱器前后溫差明顯，達(dá)到24.3。散熱器表面溫度有所改善，但在散熱器兩端有部分溫度集中。與圖3溫度云圖對(duì)比，改進(jìn)后散熱器表面溫度改善較為明顯。

通過表4中數(shù)據(jù)分析，改進(jìn)后散熱器、中冷器的溫度以及流量數(shù)據(jù)均有提升，其中散熱器改善效果較好。

圖5 y=-0.3m截面流場(chǎng)圖

3 試驗(yàn)驗(yàn)證

在底盤測(cè)功機(jī)上選取最大功率以及最大扭矩工況分別進(jìn)行熱平衡試驗(yàn)，以驗(yàn)證散熱系統(tǒng)改進(jìn)后是否符合要求。分別對(duì)關(guān)鍵位置的潤(rùn)滑油、冷卻液、冷卻空氣等溫度值進(jìn)行測(cè)量，得到結(jié)果列于表5。

表4 空氣流經(jīng)散熱器、中冷器前后溫差及流量

表5 最大功率、最大扭矩下測(cè)量點(diǎn)值

通過ATB特性評(píng)價(jià)法[10]，分別對(duì)最大扭矩、最大功率工況下冷卻液和潤(rùn)滑油進(jìn)行計(jì)算校核，得到相應(yīng)的發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行許用環(huán)境溫度最低為48.6℃大于設(shè)計(jì)許可環(huán)境溫度46℃，滿足散熱系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求。

表6 試驗(yàn)數(shù)據(jù)與仿真數(shù)據(jù)對(duì)比

通過試驗(yàn)溫度和仿真溫度數(shù)據(jù)對(duì)比，詳見表6，試驗(yàn)結(jié)果與仿真結(jié)果基本一致，誤差在允許范圍之內(nèi)。且試驗(yàn)數(shù)據(jù)散熱器前后溫差較大，達(dá)到30.3，散熱器降溫效果較好。散熱器散熱困難問題基本解決。

4 結(jié)論

1）通過對(duì)散熱器、風(fēng)扇參數(shù)進(jìn)行改進(jìn)，使散熱器散熱面積增大并增加散熱器正面積進(jìn)氣量，能有效解決散熱器自身散熱能力不足問題。

2）模擬結(jié)果表明，對(duì)散熱器按照不同位置擺放，會(huì)影響其周圍流場(chǎng)分布；當(dāng)散熱器與水平方向30°夾角時(shí)，散熱器迎風(fēng)面積空氣流量最大，散熱器散熱效果最好。

3）采用ATB特性評(píng)價(jià)法評(píng)價(jià)熱平衡試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果滿足設(shè)計(jì)要求。并對(duì)試驗(yàn)結(jié)果與仿真結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，數(shù)據(jù)誤差在允許范圍之內(nèi)，證實(shí)仿真結(jié)果的可靠性。