劉　洋，　張佳卉，　劉建峰，　趙春偉，　石　軍，　周　麗，　曹元福

(中國北方車輛研究所，北京 100072)

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艙體結(jié)構(gòu)對輔機通風散熱性能的影響

劉洋，張佳卉，劉建峰，趙春偉，石軍，周麗，曹元福

(中國北方車輛研究所，北京 100072)

輔機作為車輛的附屬供電設(shè)備，其散熱性能的好壞直接影響車輛用電設(shè)備能否正常工作.為了提高某車輛輔機的散熱性能，提出了給輔機的艙體加裝隔板的改進方案,并采用CFD方法對該輔機艙內(nèi)部通風性能進行了仿真分析.然后對原始方案、改進方案、加裝排風扇的方案分別進行了臺架加載試驗.試驗結(jié)果表明：給艙體加裝隔板后，艙內(nèi)氣流組織趨于合理，進排氣口處的風量增加了9%，加裝隔板后的方案設(shè)計是可行的.

輔機；艙體結(jié)構(gòu)；氣流組織；CFD

輔機本身是定型產(chǎn)品，在其他定型車輛已有成熟的應(yīng)用，其本身具有良好的散熱能力.但是在實際應(yīng)用中作為獨立模塊，需要將其布置于密封艙內(nèi)，在艙體壁面上開進排氣口.原始方案的布置形式，輔機進、排氣口氣流短路現(xiàn)象比較嚴重，排氣流動不暢，艙內(nèi)氣流組織紊亂、回流、短路等造成輔機運行一段時間后艙內(nèi)溫度過高，發(fā)動機缸蓋處的溫度過高，機油報警器報警，輔機過熱，不能正常工作.針對此現(xiàn)象，分析了輔機不能正常工作的原因，并通過加裝隔板使輔機艙內(nèi)氣流組織得到優(yōu)化，散熱風量得到提升[1].

1　計算模型及方法

1.1控制方程組

輔機艙內(nèi)部氣流的流動可認為是定常不可壓縮流動問題，滿足如下的控制方程：

連續(xù)方程

(1)

動量方程

(2)

式中：u為速度分量；p為壓力；ρ為密度；μ為動力粘性系數(shù).

1.2風扇模型

目前廣為采用的CFD方法為多重參考系法(MRF)和滑動網(wǎng)格法(Sliding Mesh)[2].滑動網(wǎng)格法的準確性高，但是占用的計算量大，一般用于軸流風扇的性能計算.MRF法用于定常流動的計算，相對簡單和經(jīng)濟，適用于轉(zhuǎn)子和定子之間交互作用相對較弱的葉輪機械.本研究中的發(fā)動機自帶的風扇為離心風扇，采用MRF法對風扇性能進行預(yù)測[3].

1.3計算域模型

改進方案與原始方案唯一的不同處是在輔機艙體內(nèi)加裝了機艙隔板，將整個計算域分為進氣域和排氣域兩部分，如圖1所示.

圖1　改進方案的計算域模型

1.4網(wǎng)格劃分

對進氣域和排氣域建立非結(jié)構(gòu)四面體網(wǎng)格，網(wǎng)格數(shù)目為260萬左右.由于離心風扇的結(jié)構(gòu)復(fù)雜，流場攪動變化劇烈，為了保證計算的可靠性，風扇葉片由內(nèi)到外的網(wǎng)格由密到疏過渡，結(jié)構(gòu)細小處需要進一步處理.最終總的網(wǎng)格數(shù)為463萬左右.

1.5參數(shù)及邊界條件

默認空氣的密度為1.225 kg/m3，動力粘性系數(shù)為1.789×10-5kg/(m·s).輔機計算域中離心風扇為旋轉(zhuǎn)計算域，轉(zhuǎn)動中心為(0，0，0)，轉(zhuǎn)動坐標軸為(0，1，0)，轉(zhuǎn)動角速度為3 000 r/min；設(shè)置艙體的進氣口和排氣口分別為壓力進口和壓力出口.由于發(fā)電機自帶的風扇沒有數(shù)模，根據(jù)其散熱功率值，在其出風口處定義一個300 Pa的壓力突變.

1.6求解設(shè)置

求解方法采用基于壓力的求解器，動量及能量的離散方程采用二階迎風格式.選擇標準的k-epsilon湍流模型，采用SIMPLE速度與壓力耦合的處理方法.參考壓強為一個標準大氣壓.

2　計算結(jié)果與分析

原始方案中艙體流域混亂，回流、短路等現(xiàn)象較嚴重. 艙體進氣口與排氣口處的空氣流速很低，艙體內(nèi)部過熱空氣無法有效排出艙外. 流經(jīng)發(fā)電機和發(fā)動機出口的部分熱空氣又流回入口，產(chǎn)生短路現(xiàn)象. 艙體流域中局部有漩渦發(fā)生，如圖2所示.

圖2　原始方案的流場速度分布圖

艙體加裝隔板后，進排氣相對順暢，氣流組織相對穩(wěn)定，氣流漩渦、回流、短路現(xiàn)象得到很大的改善，如圖3所示.

圖3　改進方案的流場速度分布圖

為了更加直觀地表現(xiàn)流場的分布，取x,z方向的流場速度分布截面，如圖4所示.

圖4　各截面分布圖

圖5～圖10分別為原始方案和改進方案的x、z1、z2截面的流場分布圖.由圖5、圖7可知，原始方案中熱空氣從發(fā)電機流道出口流出后，沿著左側(cè)壁面回流，大量熱空氣又流入流道的入口，造成短路現(xiàn)象. 由圖7可知，熱空氣從發(fā)電機排出后，在正對壁面附近形成兩個局部渦旋，影響熱空氣的流動. 上述短路和渦旋現(xiàn)象均導(dǎo)致了發(fā)電機過熱. 加裝隔板后，發(fā)電機流道出口處熱空氣的回流減少很多，而且隔板阻斷了這部分回流流入發(fā)電機入口，如圖6所示. 另外發(fā)電機流道出口正對壁面處的渦旋消失，而且艙體進氣口處冷空氣流速增大很多，更有利于冷空氣的流入，如圖8所示.

由圖9可知，原始方案中熱空氣從發(fā)動機排出后，在發(fā)動機排煙管和輔機排氣口之間形成渦旋，不利于熱空氣順利排出艙外. 加裝隔板后，上述渦旋消失，且排氣口處流場的流速增大很多，更有利于熱空氣的排出，如圖10所示.

圖5　原始方案x截面流場速度分布圖

圖6　改進方案x截面流場速度分布圖

圖7　原始方案z1截面流場速度分布圖

圖8　改進方案z1截面流場速度分布圖

圖9　原始方案z2截面流場速度分布圖

圖10　改進方案z2截面流場速度分布圖

表1為艙體加裝隔板改型和原始方案的進、排氣口處風量大小. 改型后的風量比原始方案增加了9%，表明在加裝隔板后，艙體內(nèi)氣流組織得到優(yōu)化，氣阻減小不少，冷卻空氣的流量增大，更有利于輔機散熱.

表1　輔機艙排氣口處風量

3　試驗驗證

控制離心風扇的轉(zhuǎn)速在3 000 r/min，給定輔機8 kW的負載，在機油濾清器、缸蓋表面分別安裝溫度傳感器，測定原始方案和加裝隔板后輔機中主要發(fā)熱件的溫度值.

試驗結(jié)果表明，加裝隔板后輔機各測試點溫度有明顯下降.另外，根據(jù)經(jīng)驗，在艙體的排風口處安裝一個直徑為255 mm、靜壓力為100 Pa、額定耗功為172.8 W的排風扇強制抽風，散熱效果更加明顯.試驗結(jié)果如表2所示.

表2　各測試點溫度值　℃

圖11～圖12為在相同的環(huán)境溫度17 ℃下，每間隔20 min測得的機油濾和缸蓋表面的溫度值.艙體加裝隔板后，機油濾表面的最高溫度下降了16.8%，缸蓋表面的最高溫度下降了17%.在排風口處安裝排風扇后散熱效果更加明顯，機油濾表面的最高溫度下降了35%，缸蓋表面的最高溫度下降了40%.

圖11　機油過濾表面測試點溫度值

圖12　缸蓋表面測試點溫度值

4　結(jié)　論

1)加裝隔板將艙體的進氣域和排氣域分開后，能夠有效避免艙內(nèi)流場漩渦、回流和短路現(xiàn)象，冷卻風量可增加約9%.

2)在排氣口加裝排風扇可以有效地將艙體內(nèi)產(chǎn)生的熱空氣及時地排出艙外，同時也增加了入口處的空氣流速，使更多的冷空氣進入艙內(nèi)散熱.

[1]姚仲鵬，王瑞君，張習軍，等.車輛冷卻傳熱[M].北京：北京理工大學出版社，2001.

[2]于勇，張俊明，姜連田.FLUENT入門與進階教程[M].北京：北京理工大學出版社，2008:209-211.

[3]上官文斌，吳敏，王益有，等.發(fā)動機冷卻風扇氣動性能的計算方法[J].汽車工程，2010，32(9)：799-802.

Effect of Cabin Structure on the Ventilation and Cooling Performance for Auxiliaries

LIU Yang，ZHANG Jia-hui，LIU Jian-feng，ZHAO Chun-wei，SHI Jun，ZHOU Li，CAO Yuan-fu

(China North Vehicle Research Institute，Beijing 100072，China)

Auxiliaries being the accessory power supply equipment of vehicle，their cooling performance will influence directly whether or not the vehicle could work normally. To improve the cooling performance，a proposal of installing partition on cabin was presented and the ventilation performance inside an auxiliary engine room was simulated by CFD. Then the loading bench tests were conducted with the original scheme，the improvement scheme and the scheme of adding exhaust fans in the laboratory. The results showed that the air distribution of cabin was more reasonable and the volume of the air flowing into the exhaust increased by 9% after installing the partition board，therefore the improvement scheme was proved to be feasible.

auxiliary engine；shell structure；air distribution；CFD

1009-4687(2016)03-0044-04

2015-12-31;修回稿日期：2016-03-11.

劉洋(1986-),男,助理工程師，研究方向為車輛熱管理.

U264.5+6

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