李元松++何立恒++劉軍

為了優(yōu)化叉車配重后方的熱場(chǎng)，本文首先對(duì)某型叉車水箱后方的三維數(shù)模，包括車架后部、風(fēng)扇、配重、散熱片等，進(jìn)行了合理簡(jiǎn)化，然后進(jìn)行流體網(wǎng)格劃分，設(shè)置常見的邊界條件及求解參數(shù)，最后得到叉車后方的熱場(chǎng)分布。并將計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比，二者誤差為14.1%，在控制誤差150%以內(nèi)，滿足計(jì)算要求，表明本文計(jì)算模型合理，可以此計(jì)算模型為依據(jù)，進(jìn)行后續(xù)的配重后方散熱的優(yōu)化。

一、引言

叉車車速低、負(fù)荷大，作業(yè)范圍小，使用條件惡劣，在夏季高溫季節(jié)容易出現(xiàn)水散熱器“開鍋”現(xiàn)象，為此，需要對(duì)叉車散熱系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。叉車?yán)鋮s系統(tǒng)散熱優(yōu)化分析涉及到熱 流 固的耦合，目前散熱問題的計(jì)算分析基本采用計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)類的商業(yè)軟件。

通過對(duì)CPU熱柱散熱器的散熱性能進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究，測(cè)試了加熱功率、風(fēng)速等主要工況不同時(shí)發(fā)熱電子元件表面的溫度，并比較分析了測(cè)試結(jié)果。運(yùn)用有限元分析軟件ANSYS對(duì)該散熱器進(jìn)行了溫度場(chǎng)數(shù)值模擬分析。研究在風(fēng)冷條件下，同等尺寸的普通銅柱CPU散熱器和熱柱散熱器的溫度分布。結(jié)果表明，熱柱散熱器具有良好的散熱性能，在較低風(fēng)速下也能有效地降低CPU的溫度。此外，有研究認(rèn)為變流器采用“熱管散熱器+走行風(fēng)冷”方式可簡(jiǎn)化柜體結(jié)構(gòu)，為分析熱管散熱器的散熱性能，利用Fluent軟件分析了其流速和溫度的分布特點(diǎn)，結(jié)果表明熱管散熱器在較低的車輛運(yùn)行速度下仍具有較好的散熱效果。實(shí)際的現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用情況驗(yàn)證了仿真結(jié)果的準(zhǔn)確性。在對(duì)汽車散熱器的物理模型單元進(jìn)行的合理的簡(jiǎn)化處理實(shí)驗(yàn)中，利用Fluent軟件，采用SIMPLE算法和標(biāo)準(zhǔn)ke湍流模型，通過求解三維NS方程和能量方程模擬了空氣在散熱器空氣側(cè)流動(dòng)，水在散熱器的水側(cè)流動(dòng)的雙側(cè)傳熱過程。在建立發(fā)動(dòng)機(jī)艙模型的過程中，考慮到散熱器和高溫元件的散熱量以及空氣的對(duì)流傳熱和輻射等因素，利用CFD軟件對(duì)汽車發(fā)動(dòng)機(jī)艙流場(chǎng)進(jìn)行了數(shù)值仿真，得到了發(fā)動(dòng)機(jī)艙內(nèi)部氣流的速度與溫度分布和重要元件的表面溫度等參數(shù)，最后對(duì)存在的問題提出改進(jìn)方案。為考查某型直升機(jī)附件艙的熱控制能力，采用有限元軟件分析了其在強(qiáng)制冷卻和自然冷卻情況下的溫度場(chǎng)分布。應(yīng)用非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格和有限體積法進(jìn)行計(jì)算區(qū)域和控制方程的離散，采用標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型封閉湍流控制方程。以ATX機(jī)箱為研究對(duì)象，利用實(shí)驗(yàn)和數(shù)值計(jì)算兩種手段對(duì)機(jī)箱的散熱情況進(jìn)行了研究。在對(duì)Fluent軟件進(jìn)行二次開發(fā)的基礎(chǔ)上，對(duì)機(jī)箱的風(fēng)冷散熱過程進(jìn)行了數(shù)值模擬，且對(duì)不同通風(fēng)孔位置和風(fēng)扇安裝情況下機(jī)箱的散熱性能進(jìn)行了研究，找到了有機(jī)箱散熱的最佳風(fēng)道結(jié)構(gòu)。

二、熱場(chǎng)實(shí)驗(yàn)測(cè)試

進(jìn)行叉車散熱的優(yōu)化，需要對(duì)用于優(yōu)化的計(jì)算模型進(jìn)行驗(yàn)證，為此，對(duì)與計(jì)算模型一致的叉車配重后方的溫度場(chǎng)及流場(chǎng)進(jìn)行了測(cè)試，實(shí)際測(cè)試的叉車配重及風(fēng)扇感和散熱器內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖l所示，測(cè)試時(shí)使用溫度計(jì)測(cè)量溫度，采用風(fēng)速儀測(cè)量配重后方的流速。

測(cè)量方法是，按配重孔大小將平面平分成三塊，左，中，右三個(gè)測(cè)試點(diǎn)，每個(gè)測(cè)試點(diǎn)為這一塊的平均溫度，然后從外表面開始向后lOOmm，200mm共三個(gè)平面九個(gè)測(cè)試點(diǎn)，測(cè)試結(jié)果如表1所示。通常情況下，越靠近配重孔，則空氣的流速越高，同時(shí)溫度也越高，這符合流速與溫度在空氣中傳播的特點(diǎn)，然而，本項(xiàng)目的測(cè)試結(jié)果與此特點(diǎn)相反，越遠(yuǎn)離配重孔，流速與溫度反而越高，可能是由于測(cè)試誤差引起。

三、散熱器后方溫度場(chǎng)數(shù)值模擬

1.數(shù)模簡(jiǎn)化及網(wǎng)格劃分

需計(jì)算在風(fēng)扇通風(fēng)作用下散熱器后方的流場(chǎng)及熱場(chǎng)分布情況，故忽略掉風(fēng)扇前方的復(fù)雜發(fā)動(dòng)機(jī)部件和支撐框，保留叉車配重、車架、車輪、通風(fēng)筒和底盤配件。因流場(chǎng)域要求連續(xù)，所以，必須對(duì)叉車三維模型進(jìn)行幾何修復(fù)，以保證幾何封閉和拓?fù)浞忾]，故將對(duì)流場(chǎng)分布影響不大的結(jié)構(gòu)部分如車架進(jìn)行填孔、補(bǔ)縫操作，將對(duì)流場(chǎng)分布有明顯影響的部分如叉車配重等僅進(jìn)行補(bǔ)縫操作而保留其通風(fēng)孔。由于車輪結(jié)構(gòu)稍顯復(fù)雜，按照原始尺寸重新建立簡(jiǎn)化后的簡(jiǎn)單結(jié)構(gòu)，由于車輪遠(yuǎn)離散熱片，對(duì)計(jì)算結(jié)果影響不大。CFX散熱分析以叉車周圍的空氣作為研究對(duì)象，因此需要建立叉車周圍的空氣模型。簡(jiǎn)化后的叉車后方配重模型及周圍空氣模型如圖2所示。

由于本文涉及到叉車后方的流場(chǎng)域非常復(fù)雜，劃分結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格優(yōu)勢(shì)不大，且費(fèi)時(shí)費(fèi)力，故采用非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格劃分。叉車整體結(jié)構(gòu)是大量復(fù)雜曲面的集合，配重和通風(fēng)筒更是傳熱分析的關(guān)鍵。根據(jù)上述分析，充分考慮問題的特點(diǎn)，本文采用Hyper-mesh商業(yè)軟件進(jìn)行叉車后方計(jì)算模型流場(chǎng)域非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格劃分，網(wǎng)格劃分后局部切面顯示如圖3所示。

2.計(jì)算域設(shè)置

計(jì)算域是指一些空間的區(qū)域，流動(dòng)控制方程或熱傳遞方程在這個(gè)區(qū)域內(nèi)進(jìn)行求解。單擊軟件任務(wù)欄中的域按鈕生成計(jì)算域。計(jì)算域的設(shè)置主要是（1）設(shè)置計(jì)算域所在的體、類型及所在的坐標(biāo)系；（2）定義流體材料為理想氣體；（3）設(shè)參考?jí)毫?個(gè)標(biāo)準(zhǔn)大氣壓，浮力、域運(yùn)動(dòng)、網(wǎng)格變形三者保持默認(rèn)。

熱傳遞模型中，無熱量傳遞不考慮熱量傳輸；Isothermal（等溫模型）需給出特定溫度值，作為復(fù)雜模型的初始條件，不計(jì)算熱量傳輸；Thermal Energy（熱焓模型）只計(jì)算對(duì)流換熱及熱傳導(dǎo)，不考慮流體動(dòng)能帶來的變化，適用于低速流動(dòng)及不可壓縮流；Total Energy（全熱模型）在熱焓模型基礎(chǔ)上考慮流體動(dòng)能帶來的熱量變化，適合高速流動(dòng)及可壓縮流。本文設(shè)置熱傳遞模型為Thermal Energy模型。

湍流模型中，k-ε為最簡(jiǎn)單的兩方程完整湍流模型；Laminar為層流模型，其控制方程為非穩(wěn)態(tài)Navier-Stokes方程，適用雷諾數(shù)較小的情況；Shear Stress Transport綜合了k-ω模型在近壁區(qū)計(jì)算的優(yōu)點(diǎn)和標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型在遠(yuǎn)場(chǎng)計(jì)算的優(yōu)點(diǎn)，其適用范圍較廣，可用于帶逆壓梯度的流動(dòng)計(jì)算、翼型計(jì)算、跨音速激波計(jì)算等；SSG是雷諾應(yīng)力模型的一種，在計(jì)算漩渦流體時(shí)特別精確；BSL是基于ω方程的雷諾應(yīng)力模型。本文設(shè)置湍流模型為Shear StressTransport模型。endprint

3.邊界條件

本文計(jì)算時(shí)設(shè)置流體流動(dòng)性質(zhì)為亞音速模式，設(shè)置流體流入計(jì)算域的方式為標(biāo)準(zhǔn)速度，方向垂直于入口面。湍流動(dòng)能系數(shù)設(shè)為默認(rèn)值Medium（Intensity=5%），適合于大部分的計(jì)算。設(shè)置邊界處溫度為靜態(tài)溫度，指定熱力學(xué)溫度值。

根據(jù)散熱器后方風(fēng)速與風(fēng)溫的分塊測(cè)量結(jié)果，將散熱器邊界分為15塊設(shè)置不同的入口邊界條件，如表2所示，試驗(yàn)測(cè)量結(jié)果如表3所示。

根據(jù)測(cè)試結(jié)果，設(shè)定尾噴管入口流速30m/s，溫度45℃。設(shè)置自由流出口邊界條件以模擬無限大氣，設(shè)為亞音速流動(dòng)，參考?jí)簭?qiáng)OPa。

4.計(jì)算結(jié)果

計(jì)算得到配重前后方的溫度分布如圖4所示，可以看出，最高溫度為47℃，最低溫度為17℃，溫度分布梯度較高，同時(shí)可見配重前方有溫度分布，這些溫度分布是由于散熱器的熱量由風(fēng)速帶出配重孔的同時(shí)，部分遇到配重壁面才生了熱空氣的回流，導(dǎo)致熱量難以散出，從散熱的角度考慮這是極為不利的。圖5表明配重后方的空氣流速最高可以達(dá)到3lm/s，同時(shí)在配重前方有回流現(xiàn)象，與溫度的分布一致。

從計(jì)算結(jié)果中取出配重后方散熱孔處的平面，計(jì)算平面的溫度分布如圖6-8所示，將平面大致均分為左、中、右三塊，計(jì)算每一塊的平均溫度，以便與試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比。

計(jì)算得到左中右三塊的溫度分布，每一塊的平均溫度如表4所示，可見，左邊平均溫度最高，中間平均溫度最低。

四、計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比及誤差分析

鑒于上述分析認(rèn)為試驗(yàn)測(cè)試時(shí)可能存在誤差，所以這里擬采用誤差最小的配重外表面的溫度分布作為依據(jù)，驗(yàn)證數(shù)值計(jì)算模型的合理性。同時(shí)，計(jì)算得到配重孔表面左中右三塊的溫度分布，于是，得到配重孔外表面的實(shí)驗(yàn)溫度和計(jì)算溫度分布如表5所示。實(shí)驗(yàn)溫度測(cè)量總和為105.7℃，計(jì)算溫度總和為90.8℃，二者相對(duì)誤差為14.1%，在項(xiàng)目要求的誤差15%以內(nèi)。

首先，本項(xiàng)目計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果的誤差為8%，在工程中要求的15%以內(nèi)，表明本文的計(jì)算模型是合理的，為了更進(jìn)一步認(rèn)識(shí)本文流體計(jì)算過程，對(duì)計(jì)算中的誤差進(jìn)行深入的分析。實(shí)際的物理過程是，高溫的水和油通入散熱器，后面的風(fēng)扇轉(zhuǎn)動(dòng)使空氣流動(dòng)，將散熱器上的熱量從配重孔帶出去，然而，散熱器的幾何模型相當(dāng)復(fù)雜，將其劃分網(wǎng)格考慮進(jìn)計(jì)算模型是不現(xiàn)實(shí)的。所以，本項(xiàng)目對(duì)散熱器進(jìn)行了簡(jiǎn)化，直接將散熱器后方的溫度場(chǎng)及流場(chǎng)作為邊界條件加入到模型中，這種簡(jiǎn)化所引起的誤差在工程允許的范圍內(nèi)，是合理的。計(jì)算中加在散熱器上的溫度和流速及尾噴管的溫度和流速是試驗(yàn)測(cè)試得到的，試驗(yàn)測(cè)量存在一定的誤差，所以，以此作為邊界輸入條件得到的計(jì)算結(jié)果必然存在誤差。

五、結(jié)語

本文針對(duì)某型叉車水箱后方的三維數(shù)模，進(jìn)行了合理簡(jiǎn)化，進(jìn)行流體網(wǎng)格劃分，設(shè)置常見的邊界條件及求解參數(shù)，最后得到叉車后方的熱場(chǎng)分布。并將計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比，二者吻合較好，表明本文計(jì)算模型的合理性。

本文將散熱器出口的空氣溫度及流場(chǎng)直接加在模型上，計(jì)算時(shí)不考慮散熱器本身的熱傳遞及風(fēng)扇的旋轉(zhuǎn)，這樣的簡(jiǎn)化更能反映配重后方的溫度場(chǎng)分布，既減少了計(jì)算誤差，又增加了計(jì)算效率，為后面配重的優(yōu)化奠定了基礎(chǔ)。endprint