某電機(jī)環(huán)形水套流場(chǎng)計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)模擬及結(jié)構(gòu)優(yōu)化

徐英英， 文懷興， 譚禮斌， 袁越錦

(陜西科技大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院， 西安 710021)

驅(qū)動(dòng)電機(jī)作為電動(dòng)摩托車的核心部件，冷卻系統(tǒng)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的正常運(yùn)行具有關(guān)鍵性的作用。隨著功率、輕量化指標(biāo)及空間布置等指標(biāo)要求的提高，電機(jī)的發(fā)熱和冷卻問題逐漸成為動(dòng)力系統(tǒng)的核心問題[1-2]。由于摩托車用電機(jī)的散熱環(huán)境相對(duì)惡劣，空間位置較小，因此對(duì)其冷卻系統(tǒng)的合理設(shè)計(jì)是保證電機(jī)散熱冷卻性能較好的重要環(huán)節(jié)[3-4]。目前，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)及高性能計(jì)算求解器的迅速發(fā)展，基于計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)(computational fluid dyna-mics，CFD)技術(shù)進(jìn)行“虛擬仿真設(shè)計(jì)與開發(fā)”已逐漸成為機(jī)械產(chǎn)品研發(fā)的趨勢(shì)。通過流體仿真可快速獲取溫度場(chǎng)、流速場(chǎng)等流動(dòng)細(xì)節(jié)信息，為方案設(shè)計(jì)及產(chǎn)品評(píng)估提供最直觀的數(shù)據(jù)支撐。程樹康等[5]研究了不同冷卻介質(zhì)對(duì)電機(jī)溫升的影響；沈啟平等[6]對(duì)電動(dòng)機(jī)內(nèi)的空氣和機(jī)殼 內(nèi)的水流動(dòng)特性進(jìn)行了分析，得到電動(dòng)機(jī)的重要散熱參數(shù)，并進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。郭軍朝等[7]運(yùn)用流體仿真技術(shù)對(duì)冷卻水套的流阻進(jìn)行仿真分析，結(jié)合實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了模擬結(jié)果的可靠性。張健等[8]采用ANSYS對(duì)H形壓電振子進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，快速完成了試驗(yàn)樣機(jī)制作。由此可見，CFD模擬結(jié)可靠，獲取流場(chǎng)結(jié)果信息較迅速，可縮短開發(fā)周期，減少實(shí)驗(yàn)成本[9-13]。

為了研究某電動(dòng)摩托車電機(jī)內(nèi)環(huán)形冷卻水套的流動(dòng)特性及電機(jī)散熱情況，利用CFD分析軟件對(duì)某摩托車用電機(jī)環(huán)形水套的內(nèi)部流場(chǎng)及電機(jī)固體溫度場(chǎng)進(jìn)行數(shù)值模擬分析，并探究不同水套結(jié)構(gòu)、水泵轉(zhuǎn)速、電機(jī)間隙環(huán)氧樹脂填充對(duì)整體流動(dòng)特性及電機(jī)線圈溫度的影響，確定電機(jī)環(huán)形水套的結(jié)構(gòu)優(yōu)化方案及各研究方案可達(dá)到的散熱效果程度，為后續(xù)電機(jī)環(huán)形水套的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及電機(jī)選型提供理論參考及仿真數(shù)據(jù)支撐。

1 電機(jī)環(huán)形水套的CFD分析

1.1 物理模型

某摩托車用的電機(jī)環(huán)形水套模型采用CATIA軟件按照實(shí)物1∶1繪制而成。將繪制而成的三維模型以stp格式導(dǎo)出，選取 STAR-CCM+ 讀取導(dǎo)出的幾何模型，采用 STAR-CCM+軟件中流體計(jì)算域體積抽取的功能進(jìn)行流體計(jì)算域的提取，提取完成后的計(jì)算域模型如圖 1 所示。流體域模型包括水泵、水套、散熱器及連接的管路，固體域模型包括電機(jī)線圈、電機(jī)硅鋼片和電機(jī)水套箱體。

圖1 電機(jī)環(huán)形水套計(jì)算域模型示意圖

在進(jìn)行計(jì)算域賦予及邊界設(shè)置前，需要對(duì)計(jì)算域進(jìn)行網(wǎng)格劃分。針對(duì)流體計(jì)算域的網(wǎng)格采用STAR-CCM+流體域網(wǎng)格采用STAR-CCM+ 中多面體網(wǎng)格和邊界層網(wǎng)格生成技術(shù)進(jìn)行網(wǎng)格生成，對(duì)散熱器流道、水泵葉輪旋轉(zhuǎn)部件進(jìn)行局部網(wǎng)格加密處理，劃分完成后的流體域網(wǎng)格數(shù)為5×106個(gè)；采用多面體網(wǎng)格和薄壁層網(wǎng)格技術(shù)對(duì)固體域模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，劃分完成后的固體域網(wǎng)格數(shù)為2×106個(gè)。流體域網(wǎng)格模型和固體域網(wǎng)格模型如圖2所示。

圖2 網(wǎng)格模型示意圖

為了后續(xù)對(duì)每個(gè)線圈的溫度進(jìn)行監(jiān)測(cè)，對(duì)線圈進(jìn)行了命名，線圈命名示意圖如圖3所示。圖4為不同電機(jī)環(huán)形水套結(jié)構(gòu)，主要是針對(duì)原結(jié)構(gòu)進(jìn)行結(jié)構(gòu)微調(diào)，研究不同環(huán)形水套對(duì)支路流量、線圈溫度、總體壓降等的影響，為環(huán)形水套結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供參考。其中方案1是在原方案基礎(chǔ)上改為U形串聯(lián)的水套結(jié)構(gòu)，方案2是更改為單U形的水套結(jié)構(gòu)，方案3是在方案1的基礎(chǔ)上將兩側(cè)箱蓋上的水套流動(dòng)空間增大，方案4是在方案3基礎(chǔ)上將進(jìn)口至長(zhǎng)支路上半部分的水套連通，方案5是在方案4的基礎(chǔ)上將長(zhǎng)支路至最后一個(gè)水套的拐角加高，加高深度約為4 mm，方案6是在方案4基礎(chǔ)上將長(zhǎng)支路至最后一個(gè)水套上半部分連通，連通厚度為3 mm。

圖3 電機(jī)線圈命名示意圖(水泵側(cè)視圖)

圖4 不同水套結(jié)構(gòu)示意圖

1.2 數(shù)學(xué)模型及邊界條件

本文中選取的冷卻液介質(zhì)為 50%的乙二醇和50%的水的混合溶液，假設(shè)冷卻液在整個(gè)冷卻系統(tǒng)循環(huán)流動(dòng)中的流動(dòng)為絕熱不可壓縮的黏性湍流流動(dòng)。選用STAR-CCM+中的realizable two-layerk-ε湍流模型進(jìn)行求解。需要求解環(huán)形水套內(nèi)部流場(chǎng)分布、電機(jī)溫度場(chǎng)等，因此需要求解的控制方程包括流動(dòng)基本方程(連續(xù)性方程、動(dòng)量方程和能量方程)、湍流模型方程(k方程、ε方程)[14-15]。

流體計(jì)算域邊界條件：入口邊界設(shè)置為總壓入口，相對(duì)壓力0；出口邊界設(shè)置為壓力出口，相對(duì)壓力為0。整個(gè)冷卻系統(tǒng)的冷卻液循環(huán)驅(qū)動(dòng)源來自于水泵。采用旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系法(moving reference frame, MRF)方法實(shí)現(xiàn)水泵葉輪的旋轉(zhuǎn)，旋轉(zhuǎn)速度設(shè)置為3 125 r/min。

固體計(jì)算域邊界條件：線圈材料設(shè)置為銅，硅鋼片的材料設(shè)置為鐵，電機(jī)水套殼體的材料設(shè)置為鋁合金，均為定常固體能量模型，給定初始溫度為80 ℃。采用STAR-CCM+中體平均的方法監(jiān)測(cè)線圈的溫度變化。

壁面邊界條件：壁面采用STAR-CCM+中的Two-layer All Y+ Wall Treatment函數(shù)處理，采用無滑移壁面條件[16]。

2 CFD模擬結(jié)果

為了建立準(zhǔn)確有效的仿真分析模型，采用文獻(xiàn)[17]中流阻測(cè)試方法對(duì)電機(jī)環(huán)形水套進(jìn)出口壓降進(jìn)行了測(cè)試，并與仿真模擬獲得的數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析。分析工況(水泵轉(zhuǎn)速3 125 r/min)下模擬獲得的進(jìn)出口壓降值為14.7 kPa，實(shí)驗(yàn)測(cè)得的進(jìn)出口壓降值為13.5 kPa，兩者間的誤差為8.16%。仿真值與實(shí)測(cè)值的對(duì)比分析結(jié)果充分驗(yàn)證了CFD計(jì)算結(jié)果的可靠性。圖5所示為不同水套結(jié)構(gòu)下流量對(duì)比。從圖5中可以看出，原水套結(jié)構(gòu)下總流量為9.35 L/min，其中長(zhǎng)支路流量為3.88 L/min，短支路流量為5.47 L/min，長(zhǎng)、短兩支路的流量分配不均勻。水套結(jié)構(gòu)方案1、方案2、方案3的總流量比原方案小，不利于電機(jī)水套殼體及電機(jī)線圈的散熱。水套結(jié)構(gòu)方案4、方案5、方案6的總流量與原方案的總流量相差不大，且水套結(jié)構(gòu)方案6長(zhǎng)支路流量和短支路流量基本一致，分布均勻。

圖5 不同水套結(jié)構(gòu)下流量對(duì)比分析

圖6所示為不同水套結(jié)構(gòu)下流量占比對(duì)比。從圖中可以看出，原水套結(jié)構(gòu)下短支路流量占比遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于長(zhǎng)支路流量占比。通過水套結(jié)構(gòu)方案不斷細(xì)致調(diào)整，短支路流量占比與長(zhǎng)支路流量占比間的差值越來越小。水套結(jié)構(gòu)方案6下長(zhǎng)支路流量占比與短支路流量占比基本一致。

圖6 不同水套結(jié)構(gòu)下流量占比分析

圖7所示為不同水套結(jié)構(gòu)下水套壓降分析。水套結(jié)構(gòu)方案2的水套壓降最大，原因是單U形結(jié)構(gòu)的水套流動(dòng)路徑單一，流動(dòng)路徑更長(zhǎng)且拐角增加，從而造成壓損較大。水套結(jié)構(gòu)方案3的水套壓降比原水套結(jié)構(gòu)方案的壓降小，原因是流動(dòng)空間增大，流動(dòng)更順暢，壓損減小。水套結(jié)構(gòu)方案5、6的水套壓降比原水套結(jié)構(gòu)方案略高，但相差不大。

圖7 不同水套結(jié)構(gòu)下水套壓降分析

圖8所示為不同水套結(jié)構(gòu)下線圈溫度對(duì)比分析。從圖8中可以看出，原水套結(jié)構(gòu)方案的線圈溫度相對(duì)較高。通過對(duì)水套結(jié)構(gòu)的改進(jìn)，線圈溫度都呈現(xiàn)減小的趨勢(shì)。其中，水套結(jié)構(gòu)方案5、6下的線圈溫度降低較明顯。考慮到水套結(jié)構(gòu)方案5的加工及安裝不如水套結(jié)構(gòu)方案6，因此水套結(jié)構(gòu)方案6可以作為該水套相對(duì)較優(yōu)的結(jié)構(gòu)改進(jìn)設(shè)計(jì)方案。

圖8 不同水套結(jié)構(gòu)下各線圈溫度對(duì)比

圖9、圖10所示分別為水套內(nèi)速度流線圖和速度矢量圖。可以明顯看出原方案雖然流量大，但電機(jī)水套內(nèi)的流速非常小。水套結(jié)構(gòu)方案6的流量與原方案基本一致，但電機(jī)水套內(nèi)的流速較大，且基本不存在流動(dòng)死區(qū)，有利于電機(jī)線圈及電機(jī)水套殼體等固體部件的冷卻。圖11所示為線圈溫度場(chǎng)分布云圖。從線圈溫度分布也可以看出，原方案的線圈溫度分布極不均勻，溫度梯度大。造成這種現(xiàn)象的原因是原方案電機(jī)水套內(nèi)速度分布很差，冷卻液大都在兩側(cè)箱體的水槽內(nèi)流動(dòng)(流經(jīng)電機(jī)水套的冷卻液較少)，且58.5%的冷卻液通過短支路流出，冷卻液的利用率較差，導(dǎo)致線圈溫度較高且存在較大的溫度梯度。水套結(jié)構(gòu)方案6下的線圈溫度分布較均勻，整體平均溫度比原方案低。

圖9 水套內(nèi)速度流線圖

圖10 水套內(nèi)速度矢量圖

圖11 線圈溫度場(chǎng)

3 分析及討論

通過改變水套結(jié)構(gòu)，對(duì)水套內(nèi)部速度場(chǎng)分布及線圈溫度有一定的改善，但改善程度不大。因此，若要大幅度地提升水套速度場(chǎng)或降低線圈溫度，可以嘗試在水套結(jié)構(gòu)方案6的基礎(chǔ)上提升水泵能力來提升整個(gè)冷卻循環(huán)的總流量、填充環(huán)氧樹脂來阻擋熱擴(kuò)散的速度。

圖12、圖13所示為水泵轉(zhuǎn)速提升、環(huán)氧樹脂填充、水泵轉(zhuǎn)速提升并增加環(huán)氧樹脂填充的方案與原冷卻循環(huán)方案的流量對(duì)比和線圈溫度對(duì)比。水泵轉(zhuǎn)速提升，總體流量會(huì)明顯增加，對(duì)于總體散熱是有利的。僅僅是環(huán)氧樹脂填充，未改變水套結(jié)構(gòu)，對(duì)流量不會(huì)產(chǎn)生影響，與水套結(jié)構(gòu)方案6的流量是一致的。

圖12 流量對(duì)比

圖13 線圈溫度對(duì)比

圖14所示為線圈溫度場(chǎng)對(duì)比。結(jié)合圖11的線圈溫度場(chǎng)綜合分析可知原方案線圈溫度最高且梯度較大，將原方案水套優(yōu)化為水套結(jié)構(gòu)方案6后，線圈溫度較原方案整體降低2 ℃，水泵轉(zhuǎn)速提升后，線圈溫度較原方案整體降低5 ℃左右，環(huán)氧樹脂填充后線圈溫度較原方案整體降低13 ℃左右，如環(huán)氧樹脂填充后再提升水泵轉(zhuǎn)速，則線圈溫度較原方案整體降低16 ℃。通過電機(jī)溫升實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證獲得優(yōu)化方案6的電機(jī)最高溫度可降低1.5 ℃，轉(zhuǎn)速提升可降低4 ℃，若添加環(huán)氧樹脂和提轉(zhuǎn)速，電機(jī)最高溫度可降低13.5 ℃，與仿真值基本吻合。故綜合幾種優(yōu)化結(jié)果，可知：水套優(yōu)化效果<轉(zhuǎn)速提升效果<環(huán)氧樹脂填充效果。圖15所示為電機(jī)截面示意圖，圖16所示為電機(jī)截面溫度場(chǎng)對(duì)比?？梢钥闯?，環(huán)氧樹脂填充后電機(jī)截面溫度明顯降低，表明電機(jī)的散熱得到明顯的改善。

圖14 線圈溫度場(chǎng)

圖16 電機(jī)截面溫度場(chǎng)對(duì)比

4 結(jié)論

利用STAR-CCM+對(duì)某摩托車用電機(jī)環(huán)形水套進(jìn)行了數(shù)值模擬分析及結(jié)構(gòu)優(yōu)化，研究了不同水套結(jié)構(gòu)、水泵轉(zhuǎn)速及環(huán)氧樹脂填充對(duì)電機(jī)散熱的影響，依據(jù)研究結(jié)果可得出如下結(jié)論。

(1)原方案電機(jī)水套內(nèi)速度分布很差，短支路流量占比為58.5%，長(zhǎng)支路流量占比為41.5%，較多冷卻液通過短支路流出，冷卻液的利用率較差，導(dǎo)致線圈溫度較高且存在較大的溫度梯度。

(2)通過不同水套結(jié)構(gòu)的流場(chǎng)分析，確定了水套優(yōu)化結(jié)構(gòu)。優(yōu)化后的水套內(nèi)速度分布變好且流量與原方案相當(dāng)，同時(shí)短支路的冷卻液流量比例減小至49%，冷卻液的利用率得到提高，最終使線圈溫度較原方案整體降低2 ℃，溫度梯度也得到明顯的改善。

(3)水泵轉(zhuǎn)速?gòu)? 125 r/min提升到5 000 r/min，線圈溫度較原方案整體降低5 ℃左右；環(huán)氧樹脂填充后線圈溫度較原方案整體降低13 ℃左右；若環(huán)氧樹脂填充后再提升水泵轉(zhuǎn)速，則線圈溫度較原方案整體降低16 ℃。就優(yōu)化散熱效果來說，優(yōu)化電機(jī)水套流場(chǎng)<優(yōu)化電機(jī)水套流量大小<優(yōu)化電機(jī)傳熱路徑。