發(fā)電機組流場特性數(shù)值模擬及其散熱優(yōu)化研究

譚禮斌，袁越錦

（陜西科技大學(xué)機電工程學(xué)院，陜西 西安 710021）

發(fā)電機組作為常用的應(yīng)急供電設(shè)備，通常適用于移動性舞臺、學(xué)校、商場、信號基站及大數(shù)據(jù)中心等場合。隨著技術(shù)的發(fā)展和工業(yè)技術(shù)的強大，發(fā)電機組的應(yīng)用范圍也越來越廣泛[1]。依據(jù)高性能和輕量化的設(shè)計要求，發(fā)電機組整體結(jié)構(gòu)緊湊。機組內(nèi)部結(jié)構(gòu)包含發(fā)動機、風(fēng)扇、油箱、變頻器、電機、點火器、起動器、散熱器等零部件[2-5]。在狹小的封閉空間內(nèi)，發(fā)電機組工作時機艙內(nèi)部溫度會很快升高，若內(nèi)部部件不能得到及時冷卻，會嚴(yán)重影響發(fā)電機組的運行功率，且會因為內(nèi)部溫度的升高，破壞零部件間的裝配關(guān)系，加大部件間的摩擦磨損，從而導(dǎo)致機組停機卡死現(xiàn)象。因此，為了保證發(fā)電機組的有效運行，必須對發(fā)電機組整機流場進行全面分析和合理評估，保證發(fā)電機組具備較好的散熱性能且能在安全工作內(nèi)高效運轉(zhuǎn)[6]。

目前，隨著計算流體力學(xué)技術(shù)（computational fluid dynamics，CFD）的發(fā)展，采用虛擬仿真分析方法進行工程機械產(chǎn)品的設(shè)計與開發(fā)已得到學(xué)者們的日益關(guān)注[7-9]。張運峰[10]采用AMEsim 一維仿真工具搭建了柴油發(fā)電機組熱管理系統(tǒng)分析模型，分析了各個零部件特性對熱管理系統(tǒng)散熱特性的影響規(guī)律，提出了系統(tǒng)改進措施，保證設(shè)備具有良好的散熱性能。Xu等[11]采用CFD 軟件對發(fā)電機組流場特性進行了數(shù)值模擬及優(yōu)化，研究了吸聲材料對散熱的影響，為發(fā)電機組結(jié)構(gòu)改進提供了參考?；贑FD 技術(shù)的數(shù)值模擬方法可快速獲取整機內(nèi)部流場分布信息，并針對性地進行流場優(yōu)化，以提升產(chǎn)品性能。因此，本文基于CFD 基礎(chǔ)理論，對發(fā)電機組整機流場進行數(shù)值模擬，分析各冷卻風(fēng)道風(fēng)量分布情況，并采用單一變量控制方法進行發(fā)電機組冷卻風(fēng)量提升的研究，獲取提升整機散熱冷卻風(fēng)量的提升方案，為后續(xù)發(fā)電機組結(jié)構(gòu)設(shè)計與改進提供參考。

1 物理模型

發(fā)電機組三維模型如圖1所示。圖中有3 個進風(fēng)口和1 個出風(fēng)口：機組前進風(fēng)、機組左進風(fēng)、機組右進風(fēng)、機組后出風(fēng)。采用CFD 分析軟件STAR-CCM+11.06 中多面體網(wǎng)格和邊界層網(wǎng)格技術(shù)對整機外流場計算域進行網(wǎng)格劃分，獲得如圖2所示的整機外流場計算模型。該模型網(wǎng)格數(shù)量為1 200 萬。該發(fā)電機組進行性能測試環(huán)境溫度為28℃，運行時對應(yīng)的風(fēng)扇轉(zhuǎn)速為3 600 r/min。圖3為發(fā)電機組內(nèi)各冷卻風(fēng)道截面示意圖，用來監(jiān)測各冷卻風(fēng)道風(fēng)量值的大小，便于后續(xù)進行對比分析。

圖1 整機三維模型圖

圖2 整機外流場計算模型

圖3 冷卻風(fēng)道截面示意圖

2 數(shù)學(xué)模型及邊界條件

選取STAR-CCM+中的k-ε兩方程湍流模型進行發(fā)電機組整機流場特性數(shù)值模擬。機組內(nèi)氣流流動假設(shè)為不可壓縮的穩(wěn)態(tài)流動狀態(tài)，過程中不考慮溫度變化，因此，相應(yīng)的數(shù)學(xué)模型方程[12]如下。

1）連續(xù)性方程為

式中：u、v、w為速度分量，m/s；ρ為流體密度，kg/m3；Fx，F(xiàn)y，F(xiàn)z為體積力，N；μ為流體黏度系數(shù)，Pa·s；p是流體微元體上的壓力，Pa；?為拉普拉斯算子；t為時間，s；xi和xj為2 個方向坐標(biāo)分量，m；ui為i方向速度分量，m/s；μt為渦流運動黏滯系數(shù)；k為湍動能，m2/s2；ε為湍動能耗散率，m2/s3；Gk為速度梯度產(chǎn)生的湍動能項；Gb為浮力產(chǎn)生的湍動能項；YM為膨脹耗散項；C1ε、C2ε、C3ε為經(jīng)驗常數(shù)；Prk，Prε分別為湍動能k和耗散率ε的湍流普朗特數(shù)；Sk和Sε為用戶定義源項。

發(fā)電機組整體流場數(shù)值模擬計算中需要的邊界條件設(shè)置如下：1）風(fēng)扇旋轉(zhuǎn)域旋轉(zhuǎn)速度為3 600 r/min，采用MRF（moving reference frame）方法實現(xiàn)；2）流體計算域入口設(shè)置為滯止入口（stagnation inlet），出口邊界為壓力出口（pressure outlet），環(huán)境溫度為28 ℃，流體屬性選擇為標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下空氣。

3 結(jié)果分析與討論

3.1 風(fēng)量分布分析

圖4表示發(fā)電機組各冷卻風(fēng)道風(fēng)量對比。從圖中可以看出，風(fēng)扇進風(fēng)風(fēng)量為40 g/s，總風(fēng)量相比同等規(guī)格的機組風(fēng)量較?。ㄕ麢C風(fēng)扇入口冷卻風(fēng)量應(yīng)在75 g/s 左右較宜[5]）。從風(fēng)道風(fēng)量分布來看，電機定子內(nèi)外流道風(fēng)量分別為12.5 g/s、21.7 g/s，風(fēng)量較大，有可能是熱風(fēng)回流導(dǎo)致定子風(fēng)量大，不利于定子的冷卻。圖5為發(fā)動機動力速度流線，用于查看電機處的回流。從圖中可以看出，電機處部分進風(fēng)來源于發(fā)動機的熱風(fēng)回流，這就是電機定子流道進風(fēng)風(fēng)量較大的原因。該熱風(fēng)回流現(xiàn)象可嘗試添加隔風(fēng)擋板進行消除。

圖4 冷卻風(fēng)道風(fēng)量分布對比

圖5 電機熱風(fēng)回流現(xiàn)象

3.2 速度分布分析

圖6—8分別為發(fā)動機表面速度分布、電機表面速度分布及變頻器表面速度分布云圖。從圖6可以看出，發(fā)動機迎風(fēng)側(cè)表面速度分布較好，背風(fēng)側(cè)表面速度分布較差。從圖7可以看出，電機背風(fēng)側(cè)表面速度大，其原因是熱風(fēng)回流至電機，風(fēng)量大，從而速度大。熱風(fēng)不利于電機的冷卻，需要對此處熱風(fēng)進行隔斷。從圖8可以看出，變頻器正面的速度分布較合理，背面的速度較差，需要改善。從這3 個重要部件的表面速度分布來看，整機流場分布特性不合理，需要進行針對性地優(yōu)化，以提升整機散熱性能。

圖6 發(fā)動機表面速度分布

圖7 電機表面速度分布

圖8 變頻器表面速度分布

3.3 單一變量控制方法進行風(fēng)量提升方案研究

為了探究進風(fēng)結(jié)構(gòu)、出風(fēng)結(jié)構(gòu)及隔熱擋板等對整機流場特性的影響，現(xiàn)對該發(fā)電機組某一結(jié)構(gòu)做單一改動，以判斷其對整機流場特性的影響，為后續(xù)優(yōu)化方案提供參考。圖9為調(diào)整左右進風(fēng)口形式示意圖。發(fā)電機組原結(jié)構(gòu)左右進風(fēng)口格柵角度為90°，氣流導(dǎo)向為垂直向上；調(diào)整后左右進風(fēng)口格柵角度為80°，且格柵深度拉伸了2 mm，進風(fēng)面積增加且氣流導(dǎo)向比原狀態(tài)平滑。圖10為原結(jié)構(gòu)和改進進風(fēng)結(jié)構(gòu)下的冷卻風(fēng)道風(fēng)量對比。從圖中可以看出，左、右進風(fēng)結(jié)構(gòu)的改變，主要影響了機組的風(fēng)量分配，前進風(fēng)減少，而左右進風(fēng)增加，對總進風(fēng)影響變化不大（風(fēng)扇入口風(fēng)量從40 g/s 到43.8 g/s）。

圖9 調(diào)整機組左、右進風(fēng)口形式

圖10 冷卻風(fēng)道風(fēng)量分布對比（改進風(fēng)結(jié)構(gòu)）

為了降低風(fēng)扇前端進風(fēng)阻力，調(diào)整了風(fēng)扇拉盤（拉盤抬高10 mm）結(jié)構(gòu)，如圖11所示。圖12為原結(jié)構(gòu)和拉盤抬高10 mm 下的冷卻風(fēng)道風(fēng)量對比。從圖中可以看出，拉盤提高10 mm，機組進風(fēng)量并沒有得到較大提升（風(fēng)扇入口風(fēng)量從40 g/s 到41.6 g/s），可以判定進風(fēng)阻力不是造成機組進風(fēng)量小的原因。

圖11 風(fēng)扇拉盤抬高10 mm

圖12 冷卻風(fēng)道風(fēng)量分布對比（拉盤抬高10 mm）

為研究出風(fēng)阻力對機組風(fēng)量的影響，將出風(fēng)格柵去掉，如圖13所示，進行整機流場分析，得到圖14的原結(jié)構(gòu)和去掉格柵后的冷卻風(fēng)道風(fēng)量對比。從圖中可以看出，去掉格柵后風(fēng)量增加不明顯，說明影響機組出風(fēng)阻力的關(guān)鍵不在于出風(fēng)格柵。

圖13 去掉出風(fēng)格柵

圖14 冷卻風(fēng)道風(fēng)量分布對比（去掉出風(fēng)格柵）

電機進風(fēng)存在發(fā)動機的熱風(fēng)回流，因此需要考慮添加擋板隔斷熱風(fēng)回流，如圖15所示。圖16為原結(jié)構(gòu)和發(fā)動機添加隔熱風(fēng)擋板后的各冷卻風(fēng)道風(fēng)量對比圖。從圖中可以看出，電機定子進風(fēng)量大幅下降，且總進風(fēng)量提升了10%左右，說明加擋板不但阻斷了回流，而且可以增加機組進風(fēng)量，后續(xù)將此改動在最終優(yōu)化方案中體現(xiàn)。

圖15 發(fā)動機加擋板（隔斷熱風(fēng)回流）

圖16 冷卻風(fēng)道風(fēng)量分布對比（發(fā)動機加擋板）

3.4 優(yōu)化方案及流場結(jié)果對比

為了提升發(fā)電機組總進風(fēng)量，前述單一變量控制方法對單一結(jié)構(gòu)對風(fēng)量的影響進行了研究，結(jié)合前述研究可以看出，改進進風(fēng)結(jié)構(gòu)、去掉出風(fēng)格柵（改出風(fēng)阻力）和添加出風(fēng)擋板對整機冷卻風(fēng)量都有提升，其中添加發(fā)動機擋板方案不僅隔斷了熱風(fēng)回流且風(fēng)量提升明顯。結(jié)合單一因素控制方法研究結(jié)果，提出圖17的發(fā)電機組結(jié)構(gòu)改進組合方案。側(cè)風(fēng)口向下移動110 mm，右側(cè)風(fēng)口向上移動80 mm，左風(fēng)口下移可兼顧油箱底部及點火器的散熱，右風(fēng)口上移可以中和機組腔內(nèi)上升的熱空氣；消聲器護罩出風(fēng)口加大，正投影可看到發(fā)動機冷卻風(fēng)道，可以降低機組出風(fēng)阻力；發(fā)動機添加隔板，隔斷熱風(fēng)回流。圖18為發(fā)電機組原結(jié)構(gòu)和優(yōu)化方案的各冷卻風(fēng)道風(fēng)量對比。從圖中可以看出：風(fēng)扇進風(fēng)量從40 g/s 提升至75.79 g/s，總風(fēng)量提升明顯；電機流道風(fēng)量明顯降低，原因是熱風(fēng)回流被擋板隔斷，有利于電機的冷卻。

圖19為優(yōu)化后的發(fā)動機表面速度分布。從圖中可以看出，箱體加擋板區(qū)域表面風(fēng)速分布略差，但箱體背部表面風(fēng)速分布變好。圖20為優(yōu)化后的變頻器表面速度分布。從圖中可以看出，變頻器表面速度都略有提升，有利于變頻器的散熱。圖21—23分別為油箱、化油器、點火器表面速度對比。從圖中可以看出，優(yōu)化后油箱、化油器、點火器的表面速度都明顯提升，有利于整機的散熱。

圖17 機組結(jié)構(gòu)改進組合方案

圖18 冷卻風(fēng)道風(fēng)量分布對比（組合方案）

圖19 優(yōu)化后的發(fā)動機表面風(fēng)速分布

圖22 化油器表面速度分布

圖23 點火器表面速度分布

圖24為優(yōu)化后的發(fā)電機組整機內(nèi)部速度流線圖。右進風(fēng)口上移后，油箱、缸頭蓋、化油器等關(guān)鍵部件的散熱均有所兼顧，且可以中和腔體內(nèi)上升的熱氣流。左進風(fēng)口下移后，油箱底部和側(cè)面以及點火器等關(guān)鍵部件的散熱同樣有所兼顧。發(fā)電機組總進風(fēng)量增加，機組內(nèi)空氣流速快，有利于發(fā)電機組的冷卻，保障其高效正常地運行。

圖24 優(yōu)化后發(fā)電機組內(nèi)部速度流線圖

4 結(jié)論

1）采用CFD 軟件STAR-CCM+對發(fā)電機組整機流場特性進行了數(shù)值模擬分析及結(jié)構(gòu)優(yōu)化研究，從整機流場分布來看，原結(jié)構(gòu)風(fēng)扇進風(fēng)量為40 g/s，進風(fēng)量較小，不利于整機冷卻。發(fā)動機熱風(fēng)回流導(dǎo)致電機進風(fēng)量較大，熱風(fēng)循環(huán)可能會導(dǎo)致電機溫升大，不利于電機的冷卻。

2）通過單一變量控制方法研究發(fā)電機組風(fēng)量提升方案，得出改進進風(fēng)結(jié)構(gòu)、去掉出風(fēng)格柵（改出風(fēng)阻力）和添加出風(fēng)擋板對整機冷卻風(fēng)量都有提升，其中添加發(fā)動機擋板方案不僅隔斷了熱風(fēng)回流且風(fēng)量提升最明顯。

3）依據(jù)單一變量控制方法研究結(jié)果，提出了調(diào)整進風(fēng)口布置、增大消聲器護罩出口（減小出風(fēng)阻力）和增加隔熱擋板的組合改進方案。改進后整機風(fēng)量提升至75.79 g/s，總風(fēng)量提升明顯；熱風(fēng)回流被隔熱擋板充分隔斷，電機熱風(fēng)循環(huán)減少，對電機的冷卻有利；油箱、化油器、點火器的表面速度明顯提升。發(fā)電機組總進風(fēng)量增加，機組內(nèi)空氣流速快，有利于發(fā)電機組的冷卻，可保障其高效正常地運行。研究結(jié)果可為發(fā)電機組結(jié)構(gòu)設(shè)計與改進提供理論指導(dǎo)，從而快速鎖定散熱性能較優(yōu)的發(fā)電機組樣機模型。