李茂青，郭立濱，李 鵬

（1.重慶通信學(xué)院，重慶400035；2.西安通信學(xué)院，陜西西安710106）

靜音機(jī)組的通風(fēng)散熱系統(tǒng)設(shè)計與計算，是靜音機(jī)組設(shè)計的重要內(nèi)容之一。機(jī)組內(nèi)通風(fēng)散熱不良，內(nèi)部出現(xiàn)高溫?zé)釐u，將導(dǎo)致機(jī)組工作溫度過高，熱負(fù)荷過重，造成機(jī)組輸出功率下降，電機(jī)及電子元器件絕緣破壞，影響整個機(jī)組工作的動力性指標(biāo)、可靠性指標(biāo)和電氣性能指標(biāo)，甚至出現(xiàn)安全事故。良好的通風(fēng)散熱設(shè)計，一方面可以獲得優(yōu)良的噪聲控制效果，另一方面可以保證機(jī)組內(nèi)部通風(fēng)散熱效果良好，發(fā)電機(jī)組可以長期連續(xù)工作。

應(yīng)用計算機(jī)數(shù)值模擬的方法，計算出機(jī)組內(nèi)部流場、溫度場的分布特點，分析其內(nèi)在聯(lián)系及規(guī)律。仿真方面主要通過運(yùn)用流體力學(xué)和傳熱學(xué)的基本理論，建立機(jī)組內(nèi)部數(shù)學(xué)模型并借助CFD軟件計算機(jī)組內(nèi)部流場和溫度場分布情況。

1 CFD方法介紹

CFD（Computed Fluid Dynamics）計算流體力學(xué)，就是利用計算機(jī)求解流體流動的各種守恒控制偏微分方程組的技術(shù)，即在工程設(shè)計中，首先建立數(shù)值模型，然后從計算實驗中獲得數(shù)據(jù)的技術(shù)。它涉及流體力學(xué)（尤其是湍流力學(xué)）、計算方法及計算機(jī)圖形處理等多種學(xué)科。這種技術(shù)允許工程師去研究不同物理條件（有些是實驗條件下不可能獲得或很難獲得的）下的不同模型配置，具有很大的靈活性。

FLUENT軟件是近年來應(yīng)用較為廣泛的一種CFD軟件，主要用于計算流體流動力傳熱問題。它提供的非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格生成程序，對于相對復(fù)雜的幾何結(jié)構(gòu)網(wǎng)格生成非常有效。FLUENT還可以根據(jù)計算結(jié)果調(diào)整網(wǎng)格，這種網(wǎng)格的自適應(yīng)能力對于精確求解有較大梯度的流場有很實際的作用。

FLUENT軟件的求解模塊是其核心部分，該模塊的數(shù)學(xué)模型是以N-S方程組與各種湍流模型為主體，再加上多相流模型、燃燒與化學(xué)反應(yīng)流模型、自由面模型以及非牛頓流體模型等。大多數(shù)附加的模型是在主體方程組上補(bǔ)充一些附加源項、附加運(yùn)輸方程與關(guān)系式。采用的是有限體積法離散方程，其計算精度和穩(wěn)定性都優(yōu)于傳統(tǒng)編程中使用的有限差分法。采用壓力校正法作為低速不可壓流動計算方法，而可壓縮流動采用禍合法。此外，F(xiàn)LUENT軟件采用的二階迎風(fēng)格式是針對非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格提出的多維梯度重構(gòu)法，較成功的用于非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格的二階迎風(fēng)格式，能較好的處理畸變網(wǎng)格的計算，從而使其在技術(shù)上處于領(lǐng)先地位。

2 機(jī)組內(nèi)部流場和溫度場的建模與仿真

2.1 熱源特征分析與計算

靜音機(jī)組帶負(fù)載工作時，其能量耗散主要分為水箱散熱Qw、排氣帶走熱量Qexh、發(fā)動機(jī)和電機(jī)表面散熱Qair以及發(fā)電機(jī)組對外的能量輸出共4個主要部分。

將發(fā)動機(jī)總熱量用Q表示，則有

其中，冷卻系統(tǒng)（水箱）散走的熱量

式中，A——傳給冷卻系統(tǒng)的熱量占燃料熱能百分比；

ge——內(nèi)燃機(jī)功率(kW)；

hn——燃料的低熱值(kj/kg)。

由于受諸多復(fù)雜因素的影響，排氣帶走熱量、發(fā)電機(jī)組表明散熱量難以精確計算，根據(jù)經(jīng)驗估算，一般認(rèn)為排氣帶走的熱量占發(fā)電機(jī)組總放熱量的32.4%～34.5%，發(fā)電機(jī)組表面的散熱量占發(fā)電機(jī)組總放熱量的5%。

本文研究對象是一臺由額定功率19.5 kW的小型柴油機(jī)驅(qū)動發(fā)電機(jī)組，根據(jù)式（1）和式（2）計算得出柴油機(jī)及發(fā)電機(jī)組的各部分熱量。

水箱散熱

排氣帶走熱量

發(fā)動機(jī)和發(fā)電機(jī)表面散熱量

2.2 靜音機(jī)組模型

在利用CFD方法對隔聲罩內(nèi)部流場、溫度場進(jìn)行數(shù)值模擬時，首先要建立數(shù)學(xué)模型。但限于計算機(jī)的計算能力，不能對完全真實的復(fù)雜形狀進(jìn)行數(shù)值模擬，并且由于主要熱源外移，機(jī)組內(nèi)產(chǎn)生的熱量較小，為此，在反映隔聲罩內(nèi)部真實流動特性的前提下，對機(jī)組的三維模型進(jìn)行簡化（如圖1所示）。

圖1 簡化模型

2.3 計算工況與邊界條件

隔聲罩內(nèi)流場、溫度場進(jìn)行耦合計算時，發(fā)電機(jī)組處于滿載工況下運(yùn)行，大氣壓強(qiáng)為標(biāo)準(zhǔn)大氣壓強(qiáng)；機(jī)組在較惡劣的環(huán)境工況下滿載工作，環(huán)境溫度為50℃。隔聲罩進(jìn)出風(fēng)口分別采用的是壓力入口邊界條件和壓力出口邊界條件，隔聲罩表面設(shè)定為絕熱，排風(fēng)扇采用軟件中的風(fēng)扇邊界條件直接進(jìn)行模擬。

2.4 計算過程

論證采用標(biāo)準(zhǔn)k-ε兩物理模型，它是在雙方程數(shù)學(xué)模型中應(yīng)用最廣泛的湍流流動計算數(shù)學(xué)模型，也是一個經(jīng)過實踐檢驗較為成功的模型，采用k-ε模型求解湍流流動對流換熱問題時，控制方程是從流體力學(xué)的基本方程出發(fā)，引入時均值和脈動值的概念，經(jīng)過假設(shè)和簡化，最終可得到適用于湍流粘性流動的控制方程，其中包括：連續(xù)性方程、動量方程、能量方程、湍流動能k方程及湍流能量耗散ε方程。

簡化條件為：

（1）機(jī)組內(nèi)流體狀態(tài)為低速不可壓縮流動，并滿足理想氣體狀態(tài)方程；

（2）機(jī)組內(nèi)氣體屬于牛頓流動；

（3）流體粘性耗散忽略不計，僅在計算升力時考慮流體密度的變化；

（4）假定流場具有高湍流雷諾數(shù)，流體的湍流粘度各向同性。

對于靠近壁面的流場區(qū)域，由于湍流雷諾數(shù)很低，故采用避免函數(shù)法解決近壁區(qū)域的流動與換熱計算的低雷諾數(shù)問題。

2.5 收斂準(zhǔn)則

迭代的收斂準(zhǔn)則，是對于能量方程要求前后兩步迭代結(jié)果之間的相對殘差小于10-6，其他方程前后兩步迭代結(jié)果之間的相對殘差小于10-3。

2.6 計算結(jié)果

迭代收斂時隔聲罩內(nèi)部溫度場情況如圖2所示。

迭代收斂時隔聲罩內(nèi)部流場情況如圖3所示。

圖2 隔聲罩溫度場分布

圖3 隔聲罩內(nèi)部流場

3 結(jié)束語

從溫度場和流場圖中，我們可以看出，機(jī)組理論結(jié)構(gòu)內(nèi)部溫度溫升不超過5℃，小于規(guī)定的溫升數(shù)值，說明機(jī)組內(nèi)部流場和溫度場分布合理。

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