基于ICEPAK 的立式電機(jī)軸承油冷卻器數(shù)值模擬研究

李 盼

（湖南城建職業(yè)技術(shù)學(xué)院建筑設(shè)備工程系，湖南 湘潭 411101）

0 引言

油冷卻器作為一種常用的換熱設(shè)備，其廣泛運(yùn)用于電力、機(jī)械、化工等不同領(lǐng)域。為了能夠充分利用熱能、降低成本，取得顯著的經(jīng)濟(jì)效益，結(jié)構(gòu)緊湊、性能高效的換熱器一直是工業(yè)生產(chǎn)中追求的設(shè)計(jì)重點(diǎn)[1]。立式電機(jī)軸承由于其工作環(huán)境存在大量熱量堆積，若散熱能力不夠強(qiáng)，則會(huì)導(dǎo)致軸承工作性能出現(xiàn)問題。因此，其冷卻器的設(shè)計(jì)是立式電機(jī)軸承能夠長(zhǎng)時(shí)間正常工作非常重要的依托。由于潤(rùn)滑油與普通冷卻水存在比較大的熱力差異性，因此在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，通常會(huì)將冷卻水走冷卻器管道，而潤(rùn)滑油走冷卻器管道外[2-3]。同時(shí)為了提高散熱效率，一般會(huì)采取有擴(kuò)展表面的翅片管作為冷卻器元件，其中雙金屬軋制式翅片管是立式電機(jī)軸承油冷卻器應(yīng)用最為廣泛的結(jié)構(gòu)[4]。但是隨著技術(shù)地不斷發(fā)展，科研人員發(fā)現(xiàn)翅片式冷卻器的散熱系數(shù)不高，導(dǎo)致其散熱能力不足，容易堆積熱量，導(dǎo)致軸承在長(zhǎng)時(shí)間工況下容易出現(xiàn)問題，因此需要設(shè)計(jì)一種新的冷卻器結(jié)構(gòu)來提高散熱效率[5]。

本文主要針對(duì)翅片式油冷卻器散熱效率不高的問題，設(shè)計(jì)了一種新的結(jié)構(gòu)，即繞簧式冷卻器。并且利用ICEPAK 仿真軟件[6]對(duì)兩種不同結(jié)構(gòu)進(jìn)行了數(shù)值模擬研究分析，為立式電機(jī)軸承油冷卻器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供了一定參考價(jià)值。

1 ICEPAK 仿真模型

圖1 為翅片式冷卻器，其特點(diǎn)是在冷卻器表面加翅片，增大冷卻器的外表面積，提高冷卻器效率；材料一般采用銅或者銅合金作為基底材料，鋁作為翅片材料。圖2 為繞簧式冷卻器，其特點(diǎn)是在銅或者銅合金基管材料的表面環(huán)繞銅絲，用來增大與外界接觸的表面，達(dá)到提高換熱效率的目的。圖3 為冷卻器結(jié)構(gòu)截面圖，其特點(diǎn)是冷卻水走冷卻器管道，而潤(rùn)滑油走冷卻器管道外。

圖1 翅片式冷卻器

圖2 繞簧式冷卻器

圖3 冷卻器結(jié)構(gòu)截面圖（單位：mm）

現(xiàn)采用ICEPAK 仿真軟件對(duì)繞簧管和翅片管兩種冷卻器進(jìn)行數(shù)值模擬分析，選擇性能更加優(yōu)異的類型。

ICEPAK 是ANSYS 系列軟件中的散熱仿真優(yōu)化分析軟件，其對(duì)于散熱、流體等相關(guān)問題，如強(qiáng)迫風(fēng)冷、自然冷卻、PCB 各向異性導(dǎo)熱率計(jì)算、熱管數(shù)值模擬、TEC 制冷、液冷模擬、太陽熱輻射、電子產(chǎn)品恒溫控制計(jì)算等具體的工程問題[7]。

ICEPAK 與主流的三維制圖軟件（SolidWorks 等）具有良好接口，可以直接進(jìn)行模型通用；與此同時(shí)，ICEPAK 具有相當(dāng)豐富的物理模型，并且采用ANSYS Fluent 作為數(shù)學(xué)計(jì)算求解器，保證計(jì)算結(jié)果具有魯棒性好、計(jì)算結(jié)果準(zhǔn)確、計(jì)算精度高等優(yōu)點(diǎn)。目前為止，ICEPAK 軟件在我國(guó)電力電子行業(yè)、電氣行業(yè)、半導(dǎo)體行業(yè)、航空航天行業(yè)、醫(yī)療器械行業(yè)、消費(fèi)性電子產(chǎn)品行業(yè)等得到了廣泛的應(yīng)用。

ICEPAK 軟件在電子散熱仿真及優(yōu)化方面主要具有以下特征：可以根據(jù)對(duì)象的自有特征，快速建立物理熱學(xué)模型；軟件自身具備豐富多樣的數(shù)據(jù)庫(kù)，并且可以支持用戶自主定義數(shù)據(jù)庫(kù)；采用快速穩(wěn)定的求解計(jì)算器，計(jì)算結(jié)果穩(wěn)定可靠；針對(duì)模型的網(wǎng)格劃分，可以得到優(yōu)秀的網(wǎng)格模型；與市面上主流的三維制圖軟件具有良好的數(shù)據(jù)接口，保證計(jì)算的速率；軟件本身具有豐富數(shù)據(jù)前處理和后處理功能。

除此之外，ICEPAK 軟件本身能夠針對(duì)非常大量的物理模型進(jìn)行數(shù)據(jù)處理計(jì)算和分析，主要包括：兩種對(duì)流模型（自然對(duì)流與強(qiáng)迫對(duì)流）；自然與強(qiáng)迫混合對(duì)流模型；印制線及導(dǎo)體的熱量計(jì)算；不同物理結(jié)構(gòu)的熱傳導(dǎo)模型；不同物理結(jié)構(gòu)的流體與固體的耦合傳熱模型；豐富的輻射模型（半立方體法、自適應(yīng)模型、離散坐標(biāo)模型、光線追蹤模型）；印制電路板各向異性導(dǎo)熱率計(jì)算；穩(wěn)態(tài)及瞬態(tài)問題的計(jì)算；多流體介質(zhì)問題；風(fēng)機(jī)非線性P-Q 曲線的輸入；微電子芯片的雙熱阻網(wǎng)絡(luò)模型；太陽輻射模型；半導(dǎo)體制冷器的制冷模型；模擬軸流風(fēng)機(jī)葉片旋轉(zhuǎn)的MRF 功能；電子產(chǎn)品恒溫控制計(jì)算；模擬電子產(chǎn)品可能處在的高海拔緯度地區(qū)等。

根據(jù)《JB/T 7607—2005 立式電機(jī)軸承用LYJH 型油冷卻器》標(biāo)準(zhǔn)[8]中的相關(guān)規(guī)定，為了減小仿真計(jì)算的規(guī)模，提高計(jì)算速度，根據(jù)冷卻器自身具備對(duì)稱的特性，選取了1 個(gè)單位長(zhǎng)度進(jìn)行計(jì)算，如圖4 所示。

圖4 單位長(zhǎng)度冷卻器模型

翅片管和繞簧管的尺寸參數(shù)如表1、表2 所示。選取ISO VG32 的冷卻油，其特性如表3 所示。將冷卻器模型分別導(dǎo)入ICEPAK，進(jìn)行網(wǎng)格劃分，得到翅片管和繞簧管的網(wǎng)格數(shù)目分別為764460 和2578630，如圖5 所示。

表1 翅片管尺寸參數(shù)

表2 繞簧管尺寸參數(shù)

表3 ISO VG32 冷卻油特性

圖5 不同冷卻器網(wǎng)格模型

對(duì)冷卻器模型添加邊界條件，如圖6 所示。徑向兩面設(shè)置為絕熱面，另外兩個(gè)面一個(gè)設(shè)置為速度入口，另一個(gè)為開口邊界；軸向兩面為對(duì)稱邊界；基管外部溫度設(shè)置為70 ℃，內(nèi)部溫度為33 ℃。

圖6 不同冷卻器邊界條件

2 仿真計(jì)算結(jié)果與分析

2.1 速度分布

由于速度分布在不同流速時(shí)，其趨勢(shì)相似。因此，只取速度為0.1 m/s 的速度分布圖即可，如圖7 所示。從圖7 中可知，不論是翅片管還是繞簧管，其固體區(qū)域流速均為0 m/s；而在表面積小的區(qū)域，其流速變高，與理論相符合，結(jié)果可靠；對(duì)比兩種冷卻器，在進(jìn)油流速相同的情況下，繞簧管中速度高的區(qū)域比翅片管的多。

圖7 速度分布圖

2.2 入口壓力分布

由于入口壓力分布在不同流速時(shí)，其趨勢(shì)相似。因此，只取速度為0.1 m/s 的入口壓力分布圖，如圖8所示。從圖8 中可知，在進(jìn)油流速相同的情況下，翅片管的入口壓力分布比繞簧管的更加平均，其極值更小，能夠承受的壓力也就更小。

圖8 入口壓力分布圖

2.3 出口溫度分布

由于出口溫度分布在不同流速時(shí)，其趨勢(shì)相似。因此，只取速度為0.1 m/s 的出口溫度分布圖，如圖9 所示。從圖9 中可知，在進(jìn)油流速相同的情況下，繞簧管的出口溫度中的低溫區(qū)域比翅片管的低溫區(qū)域更多。

圖9 出口溫度分布圖

2.4 壓降

圖10 為翅片管和繞簧管在0.01～0.15 m/s 流速范圍內(nèi)，壓降與進(jìn)油速度的曲線。

圖10 不同冷卻器的壓降曲線圖

從圖10 中可知，在進(jìn)油流速相同的情況下，繞簧管的壓降比翅片管要高40%～70%；并且隨著進(jìn)油速度的增加，其差值也會(huì)明顯增加。

2.5 傳熱能力

圖11 為翅片管和繞簧管在0.01～0.15 m/s 流速范圍內(nèi)，傳熱能力（單位長(zhǎng)度冷卻器在單位溫差傳遞的功率）與進(jìn)油速度的曲線。從圖11 中可知，在進(jìn)油流速相同的情況下，繞簧管的傳熱能力要遠(yuǎn)高于翅片管；并且隨著進(jìn)油速度的增加，其差值也會(huì)明顯增加。

圖11 不同冷卻器的傳熱能力曲線圖

2.6 進(jìn)油速度接近靜止時(shí)的傳熱能力

由于冷卻器的工況存在進(jìn)油速度接近靜止的情況（0.001 m/s），因此對(duì)不同冷卻器進(jìn)行了該工況下的傳熱能力對(duì)比，其結(jié)果如表4 所示。從表4 中可知，在進(jìn)油速度接近靜止時(shí)，繞簧管的傳熱能力比翅片管高20%。

表4 油速為0.001 m/s 時(shí)的傳熱能力對(duì)比

3 結(jié)論

1）在進(jìn)油流速相同的情況下，繞簧管冷卻器的性能要高于翅片管的性能。

2）無論是繞簧管冷卻器或者翅片管冷卻器，其傳熱效率均與進(jìn)油速度成正比，并且繞簧管冷卻器的傳熱效率隨進(jìn)油速度的增加，其增加速率遠(yuǎn)高于翅片式冷卻器。

3）無論是在有體積限制要求的工況，還是在有壓力限制要求的工況，或是需要能夠提供較大入口壓力的工況，繞簧管冷卻器的性能均優(yōu)于翅片管冷卻器，因此應(yīng)優(yōu)先選用繞簧管冷卻器。