劉水長　谷正氣　張　勇,　凡遵金

1.湖南工業(yè)大學，株洲，412007　　2.華南理工大學,廣州,5106413.湖南大學汽車車身先進設計制造國家重點實驗室,長沙,410082

自卸車發(fā)動機艙內熱流場分析及優(yōu)化

劉水長1,2谷正氣3張勇1,3凡遵金1

1.湖南工業(yè)大學，株洲，4120072.華南理工大學,廣州,5106413.湖南大學汽車車身先進設計制造國家重點實驗室,長沙,410082

自卸車發(fā)動機艙為半開放式，且艙內散熱負荷大，為避免發(fā)動機艙內散熱不足、局部熱害等問題，結合實車測試與CFD仿真方法分析了艙內熱流場散熱特性，分析結果表明，發(fā)動機艙內風扇罩上部邊緣處的回流和緊貼甲板的流動會導致艙內上部熱源散熱不足。在甲板上增加一組導流板,基于Kriging近似模型方法對其布局進行優(yōu)化后,艙內熱流場得到改善,流向上部熱源的冷卻氣流增加了13.8%,空氣溫度高于370 K的高溫區(qū)域顯著減小。

自卸車;發(fā)動機艙流場;散熱特性;Kriging近似模型

0　引言

車輛發(fā)動機艙內熱量富集且空間擁擠,容易產生散熱不足和局部熱害等問題。

文獻[1-8]對某些車型的發(fā)動機艙內流場進行了分析,提出了增加散熱器護風板、合理布置進氣格柵、增大風扇與散熱器之間距離等措施，以提高艙內流場散熱性能。上述研究針對的均是具有相對封閉結構的發(fā)動機艙內熱流場的散熱問題。重型礦用自卸車在煤礦與鐵礦運輸中廣受青睞,其發(fā)動機艙底部不封閉，具有半開式特點，因而艙內熱流場結構與散熱特性有別于相對封閉的發(fā)動機艙。另外，重型礦用自卸車發(fā)動機艙內需散出的熱量遠大于一般中小型車輛，且其作業(yè)時的較低行駛速度加大了艙內廢熱排出難度,熱害更易發(fā)生。

本文基于CFD方法耦合計算了自卸車發(fā)動機艙內外流場,針對艙內熱流場結構不合理問題，加裝相應導流裝置,并利用Kriging近似模型對導流裝置進行優(yōu)化,充分發(fā)揮其導流作用,提高艙內流場散熱性能。

1　物理模型與基礎理論

1.1物理模型

相比一般中小型車輛,自卸車車身龐大,為減小計算工作量,忽略對發(fā)動機艙內流場影響較小的后車身[9],只取含發(fā)動機艙的前車身建立仿真幾何模型(圖1)。發(fā)動機艙內部零部件繁多，因此，在保證反映發(fā)動機艙內空氣真實流動特性的前提下，對原始模型進行適當?shù)暮喕?，保留高溫散熱?發(fā)動機冷卻液散熱器)、低溫散熱器(中冷器)、冷凝器、液壓油冷卻器、燃油冷卻器、風扇、發(fā)動機等較大尺寸零部件,忽略一些對空氣流動影響較小的水管、電線等，圖2所示為簡化后的艙內發(fā)動機及散熱器模型。

圖1　自卸車前車身

圖2　發(fā)動機及散熱器模型

1.2熱流場控制方程

仿真工況為自卸車怠速工況,此時發(fā)動機艙的冷卻空氣大部分是由風扇抽吸引入的。根據(jù)產品供應商提供的產品數(shù)據(jù),換算得到發(fā)動機艙入口的速度約為8.844 m/s，環(huán)境溫度為291.5 K。由于艙內空氣流速相對聲速較低，流場可視為三維不可壓縮流場，因而，熱流場建模的基本方程如下:

(1)質量守恒方程

·v=0

(1)

(2)動量守恒

(2)

(3)能量守恒

·(ρ

(3)

式中,x、y、z為流場內點的三個方向的坐標值;v為空氣流速;u、v、w分別為三個坐標橫方向的空氣流速的分量；ρ為空氣密度，本研究中為常量;p為空氣壓力;υ為空氣的動力黏度;f為微元體所受的體積力;T為空氣溫度;cp為空氣質量定壓熱容;Sτ為微元體能量源項。

2　仿真方案與驗證

2.1計算域與網(wǎng)格劃分

計算域為包含仿真幾何模型(圖1)的流場計算空間,其選取應兼顧仿真精度與仿真效率,不宜過小也不宜過大。參考文獻[4],計算域各方向尺寸選取如下:模型前方留3倍模型長,后方留7倍模型長，上方留5倍模型高，兩側均留5倍模型寬。

采用OCTREE方法在整個計算域內生成非結構化空間網(wǎng)格，在發(fā)動機艙內零部件結構復雜或特征尺寸較小的曲面附近,將網(wǎng)格加密;在整個發(fā)動機艙區(qū)域使用密度盒加密。整個計算域內共劃分了1049.99萬個計算網(wǎng)格,車身表面網(wǎng)格如圖3所示,發(fā)動機艙內零部件表面網(wǎng)格如圖4所示。

圖3　前車身表面網(wǎng)格

圖4　發(fā)動機艙內零件表面網(wǎng)格

2.2邊界條件

2.2.1散熱器

散熱器芯體由大量的散熱翅片和水管構成，保留其幾何全尺寸細節(jié)進行模擬需要耗費大量計算資源和計算時間。因此，將散熱器視為多孔介質[10],選用仿真軟件Fluent中的heat exchanger模型模擬其傳熱過程。在heat exchanger模型中,主要設置如下;模型的熱源強度設置以設定熱側流體入口溫度的方式實現(xiàn)，并在模型中設定熱側流體流動路徑和空氣側阻力特性等。

2.2.2其他邊界條件

入口采用速度入口邊界，出口采用壓力出口邊界，風扇采用fan邊界條件，發(fā)動機機體、排氣歧管、油底殼等發(fā)熱部件的壁面設置為第一類邊界條件，即給定壁面溫度，其他為壁面為靜止wall邊界。

選用RNGk-ε兩方程湍流模型，采用有限容積法對控制方程進行離散，離散方程組的壓力和速度耦合采用Simpile算法[4]。

2.3實驗測試與驗證

圖5　實車測試中的傳感器安裝

為驗證以上仿真方案可行性,對該礦用自卸車實車進行了實驗測試,采用溫度傳感器測試高低溫散熱器出口水溫,傳感器安裝如圖5所示。自卸車100%負載運行約70 min后，停車轉為怠速工況,待高低溫散熱器進出口水溫穩(wěn)定后,對實車進行測試。根據(jù)進出口水溫計算散熱器散熱功率，實驗測試和仿真所得的高低溫散熱器散熱功率PExp、PSim如表1所示,高低溫散熱器的仿真值分別比實車測試值大4.3%和3.3%,仿真結果與實驗測試結果具有很好的一致性,該仿真方案可靠。

表1　散熱功率實驗與仿真值　kW

3　發(fā)動機艙內熱流場分析

如圖1所示,x=0截面為自卸車發(fā)動機艙的幾何對稱面，該截面穿過艙內散熱器模塊、發(fā)動機以及排氣管等熱源。x=0截面上的溫度分布如圖6所示。從圖6可以看出,發(fā)動機艙內上部熱源(排氣管和發(fā)動機體上部分)附近,較大區(qū)域的溫度高于370 K,其他大部分區(qū)域溫度都在361 K以下。

圖6　x=0截面的溫度云圖

從圖7可見,在風扇罩的導向作用下，由發(fā)動機艙前方進入的大部分空氣流經(jīng)散熱器與風扇之

(a)整體圖

(b)回流區(qū)域放大圖圖7　x=0 mm截面上的速度矢量圖

后，向后流向發(fā)動機和排氣管等熱源部件。在風扇罩上部邊緣附近，一小部分從風扇罩中流出的空氣繞過風扇罩邊緣向前回流，使得流向后方上部熱源的冷卻空氣減少。同時，該小部分空氣最終回流至散熱器前方，與來流匯合，再次流入散熱器，被循環(huán)加熱。另一方面，從風扇流出的空氣，有一部分緊貼甲板向前流動，而沒有流向上部熱源。因此,風扇罩上部邊緣附近的回流和甲板附近緊貼甲板的流動,導致流向艙內上部熱源空氣的流量不足和溫度上升,造成上部熱源散熱不足，熱量滯留,出現(xiàn)圖6所示的高溫區(qū)域。

4　發(fā)動機艙內熱流場優(yōu)化

4.1導流板結構與布置

根據(jù)上述分析，為消除風扇罩上部邊緣附近的回流和緊貼甲板的流動，改善艙內熱流場散熱性能，在自卸車甲板上加裝4個導流板,如圖8所示。導流板向下傾斜一定角度，以阻止氣流從風扇罩上部邊緣回流并引導甲板附近空氣向下流動。根據(jù)自卸車內部空間結構，確定導流板長為2500 mm，寬為300 mm,1號和2號導流板的傾斜角度和距離可在一定范圍內變化,3號和4號導流板只能以20°傾斜角度安裝在圖8所示位置。為最大限度發(fā)揮導流板流場改善作用,采用Kriging模型[11]對1號和2號導流板的安裝角度以及它們之間的距離進行優(yōu)化。優(yōu)化要素包括風扇罩附近1號導流板傾斜角θ1、2號導流板的傾斜角θ2,兩個導流板之間的距離L,如圖8所示。

(a)各導流板位置

(b)優(yōu)化要素圖8　改進后模型

受艙內零部件布局限制,各優(yōu)化要素的取值范圍為:0°<θ1<20°,0°<θ2<90°,300 mm

4.2基于Kriging近似模型的導流板優(yōu)化

根據(jù)優(yōu)化拉丁方法[11]確定20個樣本點,并對各樣本點的艙內外流場進行耦合仿真,獲得流向發(fā)動機艙內上部熱源的空氣流量,根據(jù)20個樣本點及其流量建立Kriging近似模型。為了檢驗近似模型的擬合精度,選取任意5個樣本點進行驗證,結果如表2所示。從表2可以看出,采用近似模型的計算結果與直接應用CFD軟件的計算結果非常接近,最大誤差為2.47%,表明采用此近似模型代替CFD仿真計算是可行的。

表2　近似模型驗證

在建立近似模型的基礎上,采用多島遺傳算法對模型進行尋優(yōu),優(yōu)化所得各要素最佳值為:θ1=4.2°,θ2=37.9°,L=649.5 mm。為進一步驗證尋優(yōu)結果并分析導流板組優(yōu)化后的艙內流場,依據(jù)各要素最佳值,重新建立發(fā)動機艙幾何模型并進行CFD數(shù)值仿真。CFD仿真與近似模型預測得到的空氣流量分別為124.63 kg/s和126.40 kg/s，誤差只有1.43%，進一步說明近似代理模型的可行性。

4.3優(yōu)化后流場分析

原始艙內結構仿真得到的流向艙內上部熱源的空氣流量qm為109.52 kg/s,與以最佳參數(shù)安裝導流板之后的流場對比,安裝導流裝置并優(yōu)化后空氣流量提高了13.8%。

(a)整體圖

(b)回流區(qū)域放大圖圖9　優(yōu)化后的發(fā)動機艙x=0 mm截面速度矢量圖

由圖9可見,優(yōu)化后在風扇罩上部邊緣附近仍存在回流，但由于導流板的阻擋作用，消耗了大量動能，回流未返回至散熱器前方，而是直接與附近來流匯合后，流向后方的上部熱源。另一方面，受導流板引導，不再出現(xiàn)大量空氣緊貼甲板的流動，更多的空氣流向上部熱源。結合圖10可見，由于減弱了風扇罩上部邊緣回流和避免了緊貼甲板的流動，流向上部熱源的冷卻空氣的流量增大,使得上部熱源附近區(qū)域的溫度明顯降低，高于370 K的高溫區(qū)域大幅減小,整個發(fā)動機艙內溫度分布較原始模型均勻，大部分區(qū)域溫度在352 K以下。

圖10　優(yōu)化后的發(fā)動機艙x=0 mm截面溫度云圖

5　結論

(1)本文針對半開放式的自卸車發(fā)動機艙,取適當簡化后的自卸車前半車身建立仿真物理模型,應用CFD方法耦合計算艙內外流場，獲得了艙內熱流場,與實車實驗值對比,誤差最大值為4.3%,從而證明仿真方案可靠。

(2)針對原車發(fā)動機艙內因回流和緊貼甲板流動導致的散熱不足問題，在自卸車甲板上增加一組導流板，并基于Kriging近似模型對導流板布局進行優(yōu)化。優(yōu)化后，流向上部熱源的空氣流量增加了13.8%,溫度大于370 K的空氣高溫區(qū)域大幅減小,艙內的空氣溫度基本控制在352 K以下，發(fā)動機艙內散熱性能提高。

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(編輯張洋)

Thermal Characteristic Analysis of a Mining Dump-truck Engine Compartment and Optimization

Liu Shuichang1,2Gu Zhengqi3Zhang Yong1,3Fan Zunjin1

1.Hunan University of Technology,Zhuzhou,Hunan,412007 2.South China University of Technology,Guangzhou,510641 3.State Key Laboratory of Advanced Design and Manufacture for Vehicle Body,Hunan University,Changsha,410082

The engine compartment of mining dump-truck is semi-open and its radiating load is large.To avoid insufficient cooling and local heat damage,heat flow field thermal property in engine compartment was analyzed by combination of real vehicle test and CFD method.The analyses show that,the reflux at the top edge of fan’s cover and a large amount of air flowing close to the deck generate the insufficient cooling of the upper heat sources,thus,a group of deflectors are added on the deck, and more the deflectors layout optimization is carried out based on Kriging approximate model method.Then,the air flow in the compartment is improved, the air flow volume towards the upper heat sources increases by 13.8%,the area where air temperature is higher than 370 K is reduced significantly.

mining dump-truck;engine compartment flow field;thermal characteristics;Kriging approximation model

2014-05-04

國家高技術研究發(fā)展計劃(863計劃)資助項目(2012AA041800);中央財政創(chuàng)新團隊專項資金資助項目(0420036017);湖南工業(yè)大學自然科學研究項目(2013HZX05)

U461.99;TH242DOI：10.3969/j.issn.1004-132X.2015.12.010

劉水長,女,1981年生。湖南工業(yè)大學機械工程學院講師,華南理工大學機械與汽車工程學院博士研究生。主要研究方向為汽車空氣動力學與汽車熱管理。發(fā)表論文10余篇。谷正氣,男,1963年生。湖南大學汽車車身先進設計制造國家重點實驗室教授、博士研究生導師。張勇,男,1979年生。湖南工業(yè)大學機械工程學院講師,湖南大學汽車車身先進設計制造國家重點實驗室博士研究生。凡遵金,男,1987年生。湖南工業(yè)大學機械工程學院碩士研究生。