劉佳鑫，王寶中，龍海洋，蔣炎坤

(1.華北理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，河北 唐山 063009；2.華中科技大學(xué)能源與動(dòng)力工程學(xué)院，湖北 武漢 430074)

發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻系統(tǒng)性能評(píng)估方法及正向設(shè)計(jì)應(yīng)用

劉佳鑫1,2，王寶中1，龍海洋1，蔣炎坤2

(1.華北理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，河北 唐山 063009；2.華中科技大學(xué)能源與動(dòng)力工程學(xué)院，湖北 武漢 430074)

工程車輛；冷卻系統(tǒng)；匹配；評(píng)價(jià)方法

工程車輛工作時(shí)具有驅(qū)動(dòng)功率大、速度低等特點(diǎn)，此時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)載較高，系統(tǒng)產(chǎn)生熱量較多，冷卻液中的熱量需經(jīng)過冷卻系統(tǒng)散失至環(huán)境之中。當(dāng)環(huán)境溫度較高時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)體溫度隨之升高，導(dǎo)致整車故障怠工。之所以出現(xiàn)這種現(xiàn)象，小部分原因是由于產(chǎn)品維護(hù)不及時(shí)、使用工況惡劣、加工質(zhì)量較差等因素，大部分原因則是產(chǎn)品正向設(shè)計(jì)過程中冷卻系統(tǒng)匹配效果不佳，致使性能不理想。工程車輛冷卻系統(tǒng)核心部件通常由冷卻風(fēng)扇與散熱器組成，對(duì)于兩者單體性能研究已經(jīng)陸續(xù)取得了較多成果。然而，如何將兩者整合至一個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)之中，實(shí)現(xiàn)對(duì)冷卻系統(tǒng)評(píng)價(jià)，進(jìn)而對(duì)產(chǎn)品設(shè)計(jì)快速而有效地指導(dǎo)，也成為了一個(gè)受到廣泛關(guān)注的問題。

國內(nèi)外學(xué)者針對(duì)這一問題展開了多種方式的探討和研究。1997年，Arne Andersson[1]以車輛動(dòng)力艙中的冷卻風(fēng)扇與散熱器安裝位置為研究對(duì)象，通過試驗(yàn)確定風(fēng)扇與散熱器安裝位置帶來的性能變化；Tim Juan[2]以空氣流量作為評(píng)估手段對(duì)散熱器與風(fēng)扇之間定位關(guān)系進(jìn)行了分析；Felix Regin[3]以計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)CFD(Computational Fluid Dynamics)數(shù)值分析為手段對(duì)乘用車動(dòng)力艙內(nèi)的冷卻系統(tǒng)性能進(jìn)行了評(píng)估；Kishor Udawant[4]以散熱器實(shí)際工作性能為前提對(duì)冷卻風(fēng)扇進(jìn)行了重新設(shè)計(jì)；Mahmoud Khaled[5]采用激光感溫的方式對(duì)冷流體側(cè)出口處的空氣溫度進(jìn)行監(jiān)測(cè)，將監(jiān)測(cè)結(jié)果進(jìn)行邏輯運(yùn)算，輸出并調(diào)整風(fēng)扇轉(zhuǎn)速；Timothy[6]則將一維和三維分析有效結(jié)合，實(shí)現(xiàn)對(duì)產(chǎn)品性能的預(yù)估。國內(nèi)對(duì)于這方面較早展開研究的有浙江大學(xué)俞小莉教授[7]、吉林大學(xué)秦四成教授[8]、裝甲兵工程學(xué)院畢小平教授[9]及中科院工程熱物理研究所、上海交通大學(xué)、北京航空航天大學(xué)等團(tuán)隊(duì)和機(jī)構(gòu)，也相應(yīng)地取得了較多成果：對(duì)多個(gè)散熱器間距、散熱器位置排布規(guī)律等進(jìn)行研究，具有較大的經(jīng)濟(jì)和學(xué)術(shù)價(jià)值；發(fā)現(xiàn)了動(dòng)力艙熱源布置、散熱器自身特征對(duì)冷卻系統(tǒng)性能的影響規(guī)律；總結(jié)了空氣流道阻力特征及其對(duì)冷卻性能的影響。這些研究成果大部分都是以流出散熱器的冷卻液溫度或空氣流量作為評(píng)價(jià)指標(biāo)，通過對(duì)冷卻系統(tǒng)試驗(yàn)或仿真進(jìn)行評(píng)價(jià)。

1 散熱器評(píng)價(jià)方法

1.1熵產(chǎn)單元數(shù)

由于傳熱屬于不可逆過程，所以熵產(chǎn)數(shù)會(huì)增加?；谠摤F(xiàn)象，A. Bejan提出了熵產(chǎn)單元數(shù)Ns(Number of Entropy Production Units)這個(gè)概念，具體計(jì)算公式如下[10-11]：

吳雙應(yīng)等[12]將模型應(yīng)用于散熱器，具體如下：

式中：Cpc，Cph分別為冷熱流體的比定壓熱容；Tco，Tho分別為冷熱流體的出口溫度；Tci，Thi分別為冷熱流體的入口溫度；mc，mh分別為冷熱流體的質(zhì)量流量。

2 冷卻系統(tǒng)評(píng)價(jià)方法

2.1冷卻風(fēng)扇性能特征

作為工程車輛的冷卻系統(tǒng)核心部件之一，冷卻風(fēng)扇與散熱器相互配合，實(shí)現(xiàn)冷卻系統(tǒng)與環(huán)境的熱量傳遞。冷卻風(fēng)扇性能可以使用靜壓(全壓)、靜壓效率(全壓效率)、空氣流量等參數(shù)表征。工程車輛冷卻系統(tǒng)匹配時(shí)經(jīng)常使用靜壓等表征性能[13]：

式中：Pz為風(fēng)扇軸功率；ps為風(fēng)扇靜壓；ηs為靜壓效率；ρc為空氣密度；Gc為空氣質(zhì)量流量；n為結(jié)構(gòu)傳動(dòng)系數(shù)，依據(jù)風(fēng)扇連接方式取不同數(shù)值，冷卻風(fēng)扇采用機(jī)械驅(qū)動(dòng)時(shí)為0.98，采用液壓驅(qū)動(dòng)時(shí)則為0.95[13]。

受散熱器與流道阻力影響，空氣實(shí)際流量均略小于理論值[14]，將實(shí)際流量與理論流量的比值設(shè)為k：

進(jìn)一步推導(dǎo)得：

Gactual=kGc。

當(dāng)冷卻風(fēng)扇轉(zhuǎn)速一定時(shí)，不同流量下的冷卻風(fēng)扇軸功率在特定數(shù)值上下波動(dòng)。因此，當(dāng)流量變化時(shí)，軸功率近似相等，則

以上各式中：Gactual，ηactual分別表示冷卻風(fēng)扇實(shí)際工作時(shí)的體積流量、靜壓效率。在實(shí)際工作時(shí)，風(fēng)扇靜壓值與流量相比，較難獲取，因此，對(duì)式(7)進(jìn)行變化，可得

則冷卻風(fēng)扇提供的冷空氣質(zhì)量流量為

另外，在軸功率、靜壓值不變的前提下，實(shí)際靜壓效率與理論靜壓效率關(guān)系式為

ηactual=kηs。

2.2基于熵產(chǎn)單元數(shù)的評(píng)價(jià)方法

將式(9)代入式(2)，可得

由式(11)可以看出，在熵分析中，將冷流體側(cè)即冷空氣側(cè)的質(zhì)量流速進(jìn)行變換，利用冷卻風(fēng)扇性能特征，將冷卻風(fēng)扇參數(shù)與散熱器評(píng)價(jià)指標(biāo)結(jié)合，計(jì)算所得熵產(chǎn)單元數(shù)可用來評(píng)價(jià)冷卻系統(tǒng)性能。

將式(9)代入式(3)，可得

3 正向設(shè)計(jì)實(shí)例及匹配優(yōu)選

結(jié)合式(5)至式(12)對(duì)冷卻系統(tǒng)進(jìn)行評(píng)估，具體流程見圖1。依據(jù)目前現(xiàn)有的處理方法，可將流程劃分為兩種：1)結(jié)合散熱器試驗(yàn)參數(shù)，將其阻力特征轉(zhuǎn)換為仿真邊界，利用CFD獲取實(shí)際空氣流量，運(yùn)用風(fēng)扇和散熱器試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行指標(biāo)計(jì)算(見圖1a)；2)利用散熱器冷熱流體側(cè)微流道，計(jì)算散熱器換熱和阻力性能并轉(zhuǎn)換為計(jì)算邊界，運(yùn)用CFD進(jìn)行計(jì)算，得到計(jì)算所需邊界條件，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)最終指標(biāo)價(jià)。這兩種流程中，前者適用于風(fēng)扇與散熱器的試驗(yàn)數(shù)據(jù)較為充分的情況，其特點(diǎn)是在產(chǎn)品設(shè)計(jì)中可以實(shí)現(xiàn)快速評(píng)價(jià)。本研究為驗(yàn)證實(shí)例中求解模型的正確性，需使用熱流體出口溫度作為驗(yàn)證標(biāo)準(zhǔn)，故采用第二種流程。

圖1 工程車輛冷卻系統(tǒng)評(píng)價(jià)流程

3.1結(jié)果驗(yàn)證與k值獲取

在計(jì)算流程中較為重要的是獲取冷卻風(fēng)扇所能提供的實(shí)際空氣質(zhì)量流量。因此，以國內(nèi)某雙鋼輪振動(dòng)壓路機(jī)為例，對(duì)其冷卻系統(tǒng)進(jìn)行評(píng)價(jià)，試驗(yàn)樣機(jī)的技術(shù)參數(shù)見文獻(xiàn)[15-19]。

將CFD仿真結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果見表1[16-22]。由結(jié)果可知，中冷器、冷卻液散熱器、液壓油散熱器熱流體溫度誤差分別為3.15%，4.07%，2.83%。誤差在合理范圍內(nèi)，仿真模型較為準(zhǔn)確。在模型中提取的空氣體積流量值約為2.85 m3/s，匹配的理論體積流量為3.43 m3/s，計(jì)算后k值約為0.84。

表1 試驗(yàn)與仿真結(jié)果對(duì)比

3.2正向設(shè)計(jì)下的匹配優(yōu)選

Pz，n，ηs，ρc，ps，k，Tco，Tci，Tho，Thi，T0均為計(jì)算變量，當(dāng)同一車輛工況保持不變時(shí)，其中Tco，Tci，Tho，Thi，T0，n近似認(rèn)為不變，空氣密度、比定壓熱容表達(dá)為關(guān)于環(huán)境溫度T0的函數(shù)[15]：

Cpc=1 003+0.02T0+4×10-4T02。

則剩余變量為Pz，ηs，ps，k。其中k由三維仿真獲得，則最終剩余變量為Pz，ηs，ps。

結(jié)合實(shí)例，計(jì)算三者函數(shù)關(guān)系，繪制云圖(見圖2)。由圖2可知，低靜壓、高靜壓效率區(qū)域軸功率較小，在定熵產(chǎn)數(shù)的前提下，出于系統(tǒng)節(jié)能的考慮，選型時(shí)應(yīng)盡量選擇參數(shù)在該區(qū)域內(nèi)的冷卻風(fēng)扇，這與常識(shí)相符。同時(shí)，通過觀察可知同靜壓值時(shí)，隨著靜壓效率減小，軸功率非線性增大，靜壓值越大，軸功率變化幅度越大。當(dāng)靜壓效率相等時(shí)，軸功率隨靜壓值增大而增大，靜壓效率越小，變化幅度越大。根據(jù)圖中趨勢(shì)，以降低能耗為前提，選型中應(yīng)盡量選擇略大于散熱器阻力值、靜壓效率較高的冷卻風(fēng)扇，這與傳統(tǒng)的選型設(shè)計(jì)法相符。這也進(jìn)一步證明，熵產(chǎn)單元數(shù)評(píng)估方法在定熵產(chǎn)數(shù)前提下可在正向設(shè)計(jì)中實(shí)現(xiàn)與選型設(shè)計(jì)法相類似的冷卻風(fēng)扇匹配優(yōu)選，非定熵產(chǎn)單元數(shù)的前提下可實(shí)現(xiàn)多系統(tǒng)匹配后性能評(píng)估與評(píng)價(jià)。

圖2 靜壓、靜壓效率與軸功率之間的函數(shù)關(guān)系

4 結(jié)論

b) 在試驗(yàn)驗(yàn)證的前提下，可應(yīng)用三維CFD模擬獲得實(shí)際的空氣體積流量與理論空氣體積流量的比值k，但該值僅適用于初步選型時(shí)計(jì)算指標(biāo)使用，更換風(fēng)扇后需重新計(jì)算獲取，其值可以直接應(yīng)用于評(píng)價(jià)指標(biāo)之中；

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PerformanceEvaluationandTop-DownDesignofEngineCoolingSystem

LIU Jiaxin1,2,WANG Baozhong1,LONG Haiyang1,JIANG Yankun2

(1.College of Mechanical Engineering, North China University of Science and Technology,Tangshan 063009,China; 2.School of Energy and Power Engineering, Huazhong University of Science and Technology,Wuhan 430074,China)

Engine cooling system of construction vehicle usually consists of cooling fans and radiators. Based on the entropy and exergy efficiency evaluation parameters of radiator, cooling fan was introduced as an element of evaluation objects to realize the evaluation of cooling system. The method was applied to top-down design of domestic double-dun vibration road roller, which made optimization and selection of cooling fan come true. The results show that the cooling system can be evaluated by considering the cooling fan and radiator together and using the air volume flow rate as public variable. According to 3D simulated results, the heat flow temperature error of intercooler, coolant radiator and hydraulic oil is 3.15%, 4.07% and 2.83% respectively. The acquired actual air volume flow rate plays an important role in the whole performance evaluation and product design. Accordingly, the method can be used for cooling fan selection optimization during the top-down design.

construction vehicle;cooling system;match;evaluation method

2017-05-17；

2017-07-10

湖北省技術(shù)創(chuàng)新專項(xiàng)基金自主項(xiàng)目(2016AAA045)；博士科研啟動(dòng)項(xiàng)目(28406999)

劉佳鑫(1983—)，男，博士，主要研究方向?yàn)楣こ誊囕v節(jié)能降噪技術(shù)研究；xcmgljx@163.com。

王寶中(1966—)，男，副教授，碩士，主要研究方向?yàn)闄C(jī)械學(xué)；wbzhong@ncst.edu.cn。

10.3969/j.issn.1001-2222.2017.05.002

U415.521

B

1001-2222(2017)05-0006-05

[編輯： 袁曉燕]