李云龍，趙長(zhǎng)祿，張付軍，李欣，王湘卿

(1.北京理工大學(xué) 機(jī)械與車輛學(xué)院國(guó)防動(dòng)力系統(tǒng)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京100081;2.中國(guó)北方車輛研究所，北京100072)

0 引言

現(xiàn)代裝甲車輛動(dòng)力艙集成化研究使動(dòng)力艙的容積功率大幅提高，成倍增長(zhǎng)的發(fā)熱量使冷卻系統(tǒng)成為裝甲車輛的設(shè)計(jì)難點(diǎn)之一。為實(shí)現(xiàn)冷卻系統(tǒng)低阻高效循環(huán)，降低系統(tǒng)功耗，勢(shì)必要加強(qiáng)冷卻系統(tǒng)的優(yōu)化與匹配研究，格柵作為冷卻系統(tǒng)的重要部件，對(duì)它的研究逐漸引起我們的重視。

裝甲車輛格柵的用途就是讓冷卻空氣盡可能的大量通過(guò)，以滿足車輛動(dòng)力傳動(dòng)裝置冷卻的需要，同時(shí)又能夠最大限度的保護(hù)動(dòng)力艙內(nèi)的散熱器、風(fēng)扇、油管等其他重要部件，使其免遭射彈、子彈和彈片的襲擊。格柵的研究主要立足于車輛對(duì)散熱、防護(hù)與重量的綜合要求，即以最小的質(zhì)量獲得足夠量的冷卻空氣和防彈能力。國(guó)內(nèi)外對(duì)其研究的資料和相關(guān)報(bào)道較少。文獻(xiàn)1 中，美國(guó)陸軍坦克機(jī)動(dòng)車局對(duì)二戰(zhàn)以來(lái)美軍裝甲車輛普遍采用的幾種進(jìn)排氣格柵展開了氣流阻力特性試驗(yàn)研究，試驗(yàn)證明:試驗(yàn)結(jié)果對(duì)估計(jì)實(shí)際車輛格柵組件的節(jié)流阻力和空氣流量是很有效的。文獻(xiàn)2 對(duì)格柵實(shí)際測(cè)量數(shù)據(jù)的有效性和影響精度因素加以分析，并建立測(cè)量分析模型，通過(guò)推導(dǎo)計(jì)算，求得更加接近實(shí)際工況的流量，并進(jìn)一步驗(yàn)證所建立數(shù)學(xué)模型的正確。文獻(xiàn)3 對(duì)裝甲車輛格柵的設(shè)計(jì)與布置原則進(jìn)行了詳細(xì)闡述。文獻(xiàn)4 對(duì)兩種形式的百葉窗進(jìn)行了仿真與優(yōu)化分析，證明了基于CFD 分析的百葉窗結(jié)構(gòu)優(yōu)化模型的可行性。

國(guó)內(nèi)對(duì)裝甲車輛進(jìn)排氣格柵氣動(dòng)性能和防護(hù)性能的系統(tǒng)研究甚少，基本是選型仿制。近幾年逐漸開展了仿真優(yōu)化分析，這些研究結(jié)果為格柵的設(shè)計(jì)和應(yīng)用提供了一定的參考。本文以試驗(yàn)研究為主，運(yùn)用低速風(fēng)洞計(jì)與試驗(yàn)原理，模擬裝甲車輛動(dòng)力艙特點(diǎn)，建立了格柵氣動(dòng)特性試驗(yàn)臺(tái)。對(duì)國(guó)內(nèi)外十幾種典型的裝甲車輛格柵進(jìn)行了詳細(xì)的氣動(dòng)性能試驗(yàn)，得出了不同結(jié)構(gòu)格柵的氣動(dòng)性能試驗(yàn)關(guān)聯(lián)式;對(duì)比分析了不同結(jié)構(gòu)格柵的氣動(dòng)性能與防護(hù)性能。

1 試驗(yàn)研究

1.1 試驗(yàn)裝置及模型

充分借鑒國(guó)內(nèi)外低速風(fēng)洞的成熟經(jīng)驗(yàn)，并吸取了美國(guó)陸軍坦克機(jī)動(dòng)車局實(shí)驗(yàn)室的格柵氣流試驗(yàn)裝置的優(yōu)點(diǎn)，設(shè)計(jì)了裝甲車輛格柵氣動(dòng)性能試驗(yàn)裝置［1，5－6］。試驗(yàn)裝置的空氣通道由下列6 部分組成:1)雙扭線型的進(jìn)氣段;2)4.6°的收縮角使氣流加速而沒有氣流分離，保證流動(dòng)品質(zhì)的收縮段;3)提高氣流勻直度、降低湍流度的整流段;4)測(cè)量與觀察的試驗(yàn)段;5)4.6°的擴(kuò)散角降低氣流速度，減少能量損失的擴(kuò)壓段;6)根據(jù)裝甲車輛進(jìn)排氣格柵的布置特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了一個(gè)艙室來(lái)模擬冷卻空氣進(jìn)出格柵的通道。

驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)由可控交流伺服電機(jī)和其驅(qū)動(dòng)的軸流Φ390 風(fēng)扇組成，風(fēng)扇可以實(shí)現(xiàn)正、反兩個(gè)方向的轉(zhuǎn)換，因此該試驗(yàn)裝置可以分別完成進(jìn)氣與排氣兩種試驗(yàn)測(cè)試。

試驗(yàn)測(cè)試裝置主要包括:試驗(yàn)段中安裝有測(cè)試流速的笛型畢托管，也可用二維激光多普勒測(cè)試儀(LDV);在集氣艙室處有測(cè)量格柵前后壓差的測(cè)試裝置。試驗(yàn)裝置及其主要測(cè)試設(shè)備見圖1。

圖1 格柵氣動(dòng)性能試驗(yàn)裝置及測(cè)試設(shè)備示意圖Fig.1 Grille aerodynamic experiment device and test equipment sketch

本研究按照1∶1的比例，根據(jù)不同葉型、安裝角、節(jié)弦比等參數(shù)，加工了十幾種進(jìn)排氣格柵模型，這些模型較全面的包含了國(guó)內(nèi)外裝甲車輛所采用的格柵型式，試驗(yàn)裝置實(shí)物及部分格柵試驗(yàn)?zāi)Ｐ鸵妶D2和圖3。

1.2 試驗(yàn)方法

依據(jù)《航空航天器低速風(fēng)洞測(cè)力試驗(yàn)方法》，在試驗(yàn)裝置的試驗(yàn)段，用笛型畢托管測(cè)量通過(guò)格柵的風(fēng)量，再換算成空氣通過(guò)格柵的氣流速度。在集氣艙側(cè)壁開孔，利用微壓差計(jì)測(cè)試格柵前后壓力降。

1.3 試驗(yàn)結(jié)果及分析

本研究為格柵的數(shù)據(jù)庫(kù)積累了大量的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)對(duì)裝甲車輛格柵的優(yōu)化設(shè)計(jì)，以及冷卻系統(tǒng)的匹配優(yōu)化設(shè)計(jì)都是非常有效的。部分格柵的氣動(dòng)特性試驗(yàn)曲線及試驗(yàn)關(guān)聯(lián)式見圖4和圖5。

圖2 試驗(yàn)裝置實(shí)物圖Fig.2 Experiment device photo

圖3 試驗(yàn)?zāi)Ｐ虵ig.3 Experiment model

圖4 折板式與雙折板式進(jìn)氣格柵Fig.4 Hipped plate and double－h(huán)ipped plate intake grille

選取我國(guó)與美軍同一類型裝甲車輛的進(jìn)排氣格柵進(jìn)行氣動(dòng)性能對(duì)比分析，見圖6和圖7.從中可以看出，在格柵處流速相同的情況下，美軍裝甲車輛格柵的氣動(dòng)性能較差。對(duì)美軍其他葉型格柵的試驗(yàn)研究也同樣證明，美軍裝甲車輛格柵的氣動(dòng)性能普遍比我國(guó)格柵差，但從另一方面說(shuō)明其格柵的防護(hù)性能普遍比我國(guó)格柵好，這與美軍在裝甲車輛上著重追求防護(hù)性能的設(shè)計(jì)思想是一致的。

圖5 單圓弧式與單圓弧翼型排氣格柵Fig.5 Single－arc and single－arc wing venting grille

圖6 魚鉤式與單圓弧式R74 格柵對(duì)比(進(jìn)氣)Fig.6 Fishhook grille and single－arc R74 grille contrast (Intake)

圖7 人字式與單圓弧式R145 格柵對(duì)比(排氣)Fig.7 Herringbone grille and single－arc R145 grille contrast (Venting)

2 裝甲車輛格柵防護(hù)性能分析

理想的格柵設(shè)計(jì)，應(yīng)當(dāng)是提供和它所代替的裝甲一樣的防護(hù)能力，而不對(duì)空氣產(chǎn)生節(jié)流阻力，也不增加質(zhì)量，但這3 個(gè)設(shè)計(jì)因素是矛盾的，需要設(shè)計(jì)者在足夠的空氣流量、防護(hù)能力和格柵質(zhì)量之間，尋找一種最佳的折中方案。其中，空氣流量是根據(jù)動(dòng)力傳動(dòng)裝置的散熱量計(jì)算得到的，不宜對(duì)其進(jìn)行折中。因此，在保證空氣流量的前提下，氣流阻力、防護(hù)能力和重量是主要優(yōu)化設(shè)計(jì)方面。

影響格柵防護(hù)性能的因素主要有:材質(zhì)、葉片厚度和葉型結(jié)構(gòu)。本文提出了開度系數(shù)ζ，作為從葉型結(jié)構(gòu)方面來(lái)評(píng)價(jià)裝甲車輛格柵防護(hù)性能的無(wú)量綱參數(shù)。

式中:ψ 為兩片葉柵之間彈片或其他雜物能直射入艙室的最大角度，圖8為某型式進(jìn)氣格柵入射角示意圖。

圖8 某型式進(jìn)氣格柵彈片入射角示意圖Fig.8 Some intake grille shrapnel incidence angle sketch

在材質(zhì)和葉片厚度一定的條件下，ζ 值越小表示格柵的防護(hù)能力越強(qiáng)，影響ζ 值的結(jié)構(gòu)參數(shù)主要有葉片形狀、葉片安裝角和節(jié)弦比。

圖9是開度系數(shù)相同的直板式與單圓弧翼型格柵的氣動(dòng)性能對(duì)比圖，從圖中可以看出，單圓弧翼型格柵的氣動(dòng)性能優(yōu)于直板式，說(shuō)明格柵葉型的優(yōu)化設(shè)計(jì)，可以進(jìn)一步提高格柵的氣動(dòng)性能。另外，如圖4所示，雙折板式格柵的氣動(dòng)性能較折板式差，但其開度系數(shù)卻較大，說(shuō)明雙折式格柵的設(shè)計(jì)在氣動(dòng)性能和防護(hù)性能上均不佳。

圖9 直板式與單圓弧翼型對(duì)比(排氣)Fig.9 Straight－plate grille and single－arc wing grille contrast (Venting)

表1總結(jié)了美軍裝甲車輛幾種常用類型格柵的開度系數(shù)，表2總結(jié)了我國(guó)部分裝甲車輛格柵的開度系數(shù)。

表1 美軍幾種常用格柵開度系數(shù)Tab.1 Grille opening coefficients used by US army usually

表2 我國(guó)部分裝甲車輛格柵開度系數(shù)Tab.2 Grille opening coefficients of several armored vehicles in China

從表1和表2不難看出，美軍裝甲車輛格柵在防護(hù)性能上考慮的非常突出，而我國(guó)裝甲車輛格柵設(shè)計(jì)主要考慮了氣動(dòng)性能。從大量的數(shù)據(jù)分析得出，主戰(zhàn)坦克等一線車輛格柵的開度系數(shù)在0.25 左右，裝甲運(yùn)輸車、導(dǎo)彈發(fā)射車等二、三線車輛格柵的開度系數(shù)在0.4～0.5.

綜上分析，美國(guó)等西方國(guó)家裝甲車輛追求目標(biāo)的順序是防護(hù)性、機(jī)動(dòng)性與火力，防護(hù)放在了第一位。而我國(guó)裝甲車輛追求的首先是火力，其次是機(jī)動(dòng)性，然后才是防護(hù)性，因而為了保障車輛的戰(zhàn)斗力和動(dòng)力傳動(dòng)的優(yōu)異性能，在防護(hù)方面做了一些讓步。一般來(lái)說(shuō)，在裝甲車輛進(jìn)排氣格柵的多目標(biāo)優(yōu)化設(shè)計(jì)中，氣動(dòng)性能和防護(hù)性能往往是相互矛盾的，它們不能同時(shí)達(dá)到最優(yōu)解。這需要在各個(gè)目標(biāo)函數(shù)的最優(yōu)解之間進(jìn)行相互協(xié)調(diào)，以便取得整體最優(yōu)的方案。

3 結(jié)論

1)設(shè)計(jì)了裝甲車輛進(jìn)排氣格柵氣動(dòng)性能試驗(yàn)裝置，試驗(yàn)證明:該裝置具有氣流穩(wěn)定、低湍流度、測(cè)試準(zhǔn)確、操作方便等特點(diǎn)。對(duì)國(guó)內(nèi)外多種葉型格柵進(jìn)行了詳細(xì)的氣動(dòng)性能試驗(yàn)，積累了大量的格柵氣動(dòng)性能試驗(yàn)數(shù)據(jù)，為冷卻系統(tǒng)匹配優(yōu)化設(shè)計(jì)提供了有力的依據(jù)。

2)提出了開度系數(shù)ζ 作為格柵防護(hù)性能的評(píng)價(jià)指標(biāo)，并對(duì)不同用途的裝甲車輛進(jìn)排氣格柵的開度系數(shù)范圍做出了界定。

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