V型兩缸柴油機(jī)匹配農(nóng)機(jī)艙內(nèi)溫度場(chǎng)計(jì)算分析

陶麗芳 田入園 李德全 馬小盼 謝小祥 秦炳爽

（安徽航瑞航空動(dòng)力裝備有限公司產(chǎn)品工程研究院 安徽 蕪湖 241100）

引言

一般農(nóng)用機(jī)械安裝發(fā)動(dòng)機(jī)的機(jī)艙沒有太多的密封，吹風(fēng)條件較好，但是因?yàn)槠湫旭偹俣确浅＞徛?，自然來流的冷卻風(fēng)速非常小。主要仍要依靠風(fēng)扇吹風(fēng)對(duì)機(jī)艙進(jìn)行冷卻。而風(fēng)扇、機(jī)艙以及發(fā)動(dòng)機(jī)熱源的布置匹配直接影響了機(jī)艙內(nèi)的散熱與溫度分布。

對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)艙溫度場(chǎng)開展仿真分析，提前預(yù)測(cè)高溫危險(xiǎn)并采取預(yù)防措施是道路車輛設(shè)計(jì)匹配時(shí)已經(jīng)采用的成熟手段。但是對(duì)于非道路的農(nóng)用機(jī)械依然參考競(jìng)品或經(jīng)驗(yàn)值，很少運(yùn)用先進(jìn)的仿真手段提前模擬與優(yōu)化。某V型兩缸增壓柴油機(jī)與某用于打藥的農(nóng)用機(jī)械進(jìn)行動(dòng)力匹配，運(yùn)用商業(yè)流體軟件，對(duì)布置了散熱器中冷器風(fēng)扇以及發(fā)動(dòng)機(jī)的前艙開展流場(chǎng)與溫度場(chǎng)仿真分析，對(duì)比了電子風(fēng)扇與機(jī)械風(fēng)扇對(duì)艙內(nèi)吹風(fēng)與散熱的影響，并預(yù)測(cè)了2種風(fēng)扇下可能出現(xiàn)的高溫風(fēng)險(xiǎn)[1]。

1 理論基礎(chǔ)

對(duì)于農(nóng)用機(jī)械，機(jī)艙周圍空氣流動(dòng)速度遠(yuǎn)低于聲速，馬赫數(shù)較低，可看做不可壓縮粘性流場(chǎng)。而空氣在艙內(nèi)的流動(dòng)因?yàn)榕搩?nèi)零部件外形結(jié)構(gòu)的變化出現(xiàn)明顯的分支，應(yīng)做湍流處理。散熱器、中冷器內(nèi)部翅片數(shù)量非常多，且翅片排列均勻，將這2個(gè)部件當(dāng)作多孔介質(zhì)處理。風(fēng)扇則用MRF（MovingReferenceFrame）模型模擬葉片的旋轉(zhuǎn)導(dǎo)致的風(fēng)速與風(fēng)量增加[2]。

1.1 基本控制方程

控制方程包括連續(xù)性方程、動(dòng)量守恒方程、能量守恒方程，湍動(dòng)能方程和湍動(dòng)能耗散率方程。這些控制方程的通用格式為：

式中：φ為通用變量，可以代表3個(gè)速度分量u、v、w，溫度T，湍動(dòng)能k或湍流耗散率ε等求解變量，Г為廣義擴(kuò)散系數(shù)，S為廣義源項(xiàng)[3]。

標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型只適用于湍流充分發(fā)展的高雷諾數(shù)湍流流動(dòng)，對(duì)于低雷諾數(shù)的近壁區(qū)域，必須采用特殊的處理方式。文中采用了標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù)法來求解近壁區(qū)內(nèi)流動(dòng)問題。

1.2 多孔介質(zhì)與熱輻射模型

多孔介質(zhì)區(qū)域的流動(dòng)近似為層流流動(dòng)，根據(jù)Darcy定律[3]，氣流流經(jīng)催化器載體時(shí)產(chǎn)生的壓降可表示為：

式中：Pi為慣性阻力系數(shù)；Pv為黏性阻力系數(shù)。不同散熱器與中冷器有不同的Pi和Pv，可通過空氣側(cè)流動(dòng)壓降實(shí)驗(yàn)獲得相應(yīng)的數(shù)據(jù)。

熱輻射模型選取了surface to surface radiation模型。發(fā)動(dòng)機(jī)根據(jù)零部件的材料不同，分別設(shè)置不同的熱輻射系數(shù)[4]。

2 農(nóng)機(jī)機(jī)艙幾何模型與計(jì)算模型

2.1 農(nóng)機(jī)機(jī)艙幾何模型

圖1為V型兩缸柴油機(jī)布置在農(nóng)用機(jī)械艙內(nèi)的模型，發(fā)動(dòng)機(jī)安裝在車身后面，兩缸前后放置，冷卻系統(tǒng)位置靠近發(fā)動(dòng)機(jī)排氣側(cè)。風(fēng)扇正對(duì)著排氣歧管與增壓器等熱源部位。圖1a為電子風(fēng)扇方案，圖1b為機(jī)械風(fēng)扇方案。

圖2為假定為多孔介質(zhì)的散熱器中冷器模型以及設(shè)置為MRF的風(fēng)扇簡化模型。圖2a、圖2b分別為電子風(fēng)扇與機(jī)械風(fēng)扇方案。機(jī)械風(fēng)扇中冷器高度相對(duì)于電子風(fēng)扇方案有所增加。

2.2 計(jì)算模型

圖1 電子風(fēng)扇與機(jī)械風(fēng)扇艙內(nèi)布置圖

圖2 散熱器中冷器與風(fēng)扇的簡化模型

圖3 為農(nóng)機(jī)機(jī)艙的計(jì)算模型，為了模擬環(huán)境吹風(fēng)情況，在機(jī)艙周圍假定了一個(gè)大型的長方形盒子。除了離地間隙與真實(shí)情況接近，盒子前方、后方以及上方的距離與機(jī)艙足夠遠(yuǎn)。這樣，將盒子前方平面設(shè)置為進(jìn)口，施加環(huán)境來流速度，盒子的后方平面設(shè)置為出口，假定為環(huán)境壓力[5]。

圖3 前艙計(jì)算模型

2.3 邊界條件

計(jì)算農(nóng)機(jī)機(jī)艙內(nèi)的溫度，一般選取較惡劣的環(huán)境吹風(fēng)條件。本文假定環(huán)境風(fēng)速為1m/s，環(huán)境溫度為45℃。發(fā)動(dòng)機(jī)在額定功率點(diǎn)運(yùn)轉(zhuǎn)，這時(shí)增壓器與排氣歧管等熱源溫度最高。增壓器溫度假定為550℃，排氣歧管假定為500℃。排氣管及消聲器假定為300℃。增壓器與排氣歧管外圍布置了隔熱罩。在發(fā)動(dòng)機(jī)額定功率工況，電子風(fēng)扇的轉(zhuǎn)速為2 450 r/min，機(jī)械風(fēng)扇轉(zhuǎn)速為4 000 r/min。中冷器與散熱器的多孔介質(zhì)參數(shù)如表1所示。

表1 散熱器與中冷器多孔介質(zhì)參數(shù)

3 艙內(nèi)流場(chǎng)計(jì)算結(jié)果分析

電子風(fēng)扇與機(jī)械風(fēng)扇的整體流動(dòng)基本相近，主要通過風(fēng)扇的旋轉(zhuǎn)進(jìn)行吸風(fēng)，因?yàn)橹欣淦?、散熱器與風(fēng)扇并列布置，且間隙較小，吸入的風(fēng)大部分都能經(jīng)過中冷器與散熱器進(jìn)入風(fēng)扇，進(jìn)而進(jìn)入艙內(nèi)。圖4為2方案通過風(fēng)扇旋轉(zhuǎn)軸的橫向切片速度矢量圖。風(fēng)扇吹出的風(fēng)并沒有直接對(duì)著排氣側(cè)，而是通過發(fā)動(dòng)機(jī)的上下兩端空隙處流往發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣側(cè)，直至流出機(jī)艙。部分氣體由進(jìn)氣側(cè)流回排氣熱源部位。電子風(fēng)扇方案的風(fēng)扇軸周邊區(qū)域流速非常小。機(jī)械風(fēng)扇方案連接風(fēng)扇與曲軸的支架周邊區(qū)域流速較小。整體而言，機(jī)械風(fēng)扇的整體風(fēng)速明顯高于電子風(fēng)扇。

圖4 通過風(fēng)扇旋轉(zhuǎn)軸的橫向切片速度矢量圖

表2為2方案通過散熱器、中冷器以及風(fēng)扇的風(fēng)量以及壓力變化情況。機(jī)械風(fēng)扇通過散熱器、中冷器與風(fēng)扇的風(fēng)量接近電子風(fēng)扇的3倍。從而使得機(jī)械風(fēng)扇方案通過這3個(gè)部件的迎風(fēng)風(fēng)速整體較高，但是壓損也會(huì)相應(yīng)增大。不過機(jī)械方案散熱器與中冷器的壓損總體可接受。對(duì)于中冷器而言，電子風(fēng)扇方案，中冷器高度較低，且離散熱器的間隙較大，使得通過中冷器的冷風(fēng)偏少。而電子風(fēng)扇方案增加了中冷器的高度，減小了中冷器與散熱器之間的間隙，這樣中冷器與風(fēng)扇的重合面積進(jìn)一步加大，從而使得通過中冷器的風(fēng)量比例加大。

表2 2方案通過冷卻系統(tǒng)的吹風(fēng)情況對(duì)比

4 艙內(nèi)溫度場(chǎng)計(jì)算結(jié)果分析

增壓柴油機(jī)由于增壓器、排氣歧管以及排氣管處溫度均較高，排氣側(cè)周圍的零部件受這幾個(gè)熱源部件的熱輻射，導(dǎo)致溫度也會(huì)相對(duì)較高。圖5、圖6為電子風(fēng)扇與機(jī)械風(fēng)扇方案在排氣側(cè)周圍的溫度場(chǎng)分布。對(duì)于電子風(fēng)扇方案，高溫區(qū)域出現(xiàn)在電子風(fēng)扇的扇盤部位以及連接增壓器壓氣機(jī)與中冷器的橡膠軟管根部。扇盤部位溫度高達(dá)230℃，橡膠軟管根部溫度也達(dá)到220℃。超過了2個(gè)部件的溫度限值。對(duì)于機(jī)械風(fēng)扇，高溫區(qū)域只出現(xiàn)在連接曲軸與風(fēng)扇的支架處，溫度值為163℃，未超標(biāo)，滿足要求。可見，由于機(jī)械風(fēng)扇吹風(fēng)條件得到大大改善，排氣側(cè)的溫度也整體降低，沒有高溫風(fēng)險(xiǎn)。V型2缸柴油機(jī)匹配在這臺(tái)農(nóng)機(jī)上，用機(jī)械風(fēng)扇更合適。電子風(fēng)扇會(huì)存在溫度超標(biāo)的風(fēng)險(xiǎn)。

圖5 2方案排氣側(cè)溫度場(chǎng)分布

圖6 2方案高溫區(qū)域?qū)Ρ?/p>

5 結(jié)論

對(duì)于農(nóng)用機(jī)械，可參考道路車輛的匹配，在動(dòng)力匹配階段即開展艙內(nèi)流場(chǎng)與運(yùn)動(dòng)場(chǎng)分析，預(yù)測(cè)冷卻系統(tǒng)的流動(dòng)情況，并預(yù)估潛在的高溫風(fēng)險(xiǎn)，為方案選型與優(yōu)化提供參考。

采用先進(jìn)的計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)對(duì)農(nóng)機(jī)匹配進(jìn)行模擬分析將是今后農(nóng)機(jī)匹配的有效手段與趨勢(shì)。