苗 龍 李文躍

（1. 徐工集團(tuán)江蘇徐州工程機(jī)械研究院，江蘇 徐州 221004；2. 徐工集團(tuán)高端工程機(jī)械智能制造國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 徐州 221004）

高空作業(yè)平臺是適用于各行業(yè)高空設(shè)備安裝、檢修等的一種可移動的升高平臺，使用該作業(yè)平臺可以使操作者快捷、安全的完成高空作業(yè)，產(chǎn)品擁有巨大的市場空間。高空作業(yè)平臺動力艙內(nèi)結(jié)構(gòu)緊湊、空氣流道極不規(guī)則，進(jìn)行動力艙內(nèi)空氣流動試驗(yàn)難度較大；但動力艙內(nèi)空氣流動和傳熱現(xiàn)象相互耦合，空氣流動狀態(tài)決定了冷卻空氣與散熱器的熱交換過程，進(jìn)而影響冷卻系統(tǒng)的散熱能力，對提升整機(jī)環(huán)境適應(yīng)性有著重要意義，需對動力艙內(nèi)空氣流動情況進(jìn)行深入研究。

本文研究的高空作業(yè)平臺為全新開發(fā)產(chǎn)品，設(shè)計(jì)初期即引入了先進(jìn)的計(jì)算流體力學(xué)（CFD）分析方法，對動力艙內(nèi)空氣流動狀態(tài)進(jìn)行了模擬計(jì)算，深入了解動力艙內(nèi)空氣流動情況，并根據(jù)計(jì)算結(jié)果對動力艙流道布置提出了合理的優(yōu)化建議；該分析方法不受物理模型和實(shí)驗(yàn)環(huán)境的限制，為多種方案的優(yōu)化比較提供了便捷有效的途徑［1］。

1 虛擬風(fēng)動仿真計(jì)算模型

1.1 幾何模型

根據(jù)整車實(shí)際結(jié)構(gòu)，運(yùn)用三維建模軟件Pro/E建立整車幾何模型，如圖1所示。動力艙內(nèi)安裝有散熱器、冷卻風(fēng)扇、發(fā)動機(jī)、進(jìn)氣濾清器以及排氣消音器等部件，冷卻系統(tǒng)采用串聯(lián)吹風(fēng)布置方式，在不影響計(jì)算結(jié)果的前提下，對細(xì)小部件進(jìn)行了合理簡化。

圖1 整車幾何模型

1.2 控制方程

數(shù)值模擬中，假設(shè)整個流動過程為穩(wěn)態(tài)湍流，發(fā)動機(jī)艙內(nèi)空氣為不可壓縮且忽略重力引起的空氣對流，忽略固體壁面間的熱輻射，根據(jù)以上假設(shè)，動力艙內(nèi)空氣流動的控制方程可描述如下［2］。

（1）連續(xù)性方程。

（2）動量方程。

1.3 網(wǎng)格劃分

根據(jù)整車幾何模型，利用Hypermesh軟件創(chuàng)建包含動力艙在內(nèi)的流體計(jì)算網(wǎng)格。模型面網(wǎng)格尺寸控制在10～20mm。動力艙為三維仿真關(guān)注的重點(diǎn)區(qū)域，此處進(jìn)行了細(xì)致處理，動力艙面網(wǎng)格最大尺寸控制在8mm，最小尺寸控制在1mm，同時保留了動力艙內(nèi)絕大多數(shù)部件，動力艙網(wǎng)格模型如圖2所示。

圖2 動力艙網(wǎng)格模型

虛擬風(fēng)洞計(jì)算區(qū)域?yàn)?倍車長、5倍車寬和4倍車高，在靠近整車區(qū)域采用了幾何適應(yīng)性較好的四面體網(wǎng)格，在遠(yuǎn)離整車的區(qū)域采用六面體網(wǎng)格，以減少網(wǎng)格數(shù)量并提高計(jì)算精度；四面體與六面體網(wǎng)格區(qū)域之間用金字塔形網(wǎng)格連接，整車體網(wǎng)格總數(shù)為1690萬。

1.4 風(fēng)扇模型

風(fēng)扇是動力艙內(nèi)空氣流動的動力源，其性能直接決定了空氣側(cè)的流動情況。計(jì)算流體軟件提供了一些模型可供使用，如滑移網(wǎng)格模型、混合面模型與多重參考模型。本文采用了多重參考模型，該模型原理是利用定常的方法計(jì)算求解非定常問題，將風(fēng)扇單獨(dú)劃分為一個旋轉(zhuǎn)區(qū)域，考慮靠近風(fēng)扇壁面的區(qū)域所受到的風(fēng)扇旋轉(zhuǎn)的影響，計(jì)算求解時單獨(dú)在旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系里進(jìn)行，而風(fēng)扇區(qū)域外的部分則在原來的慣性坐標(biāo)系中進(jìn)行計(jì)算求解，為了確保風(fēng)扇內(nèi)外區(qū)域速度矢量的連續(xù)性，將兩個子區(qū)域的交界面處進(jìn)行連續(xù)性設(shè)置。本文對風(fēng)扇三維模型基本不做簡化，考慮到提高模擬準(zhǔn)確性采用了較小的網(wǎng)格，風(fēng)扇最小網(wǎng)格尺寸為1mm，旋轉(zhuǎn)流體區(qū)體網(wǎng)格共計(jì)137萬。

1.5 散熱器模型

散熱器中存在大量的換熱管道和復(fù)雜的翅片，且散熱帶和散熱管厚度很小，若根據(jù)三維實(shí)體模型進(jìn)行建模，網(wǎng)格數(shù)量會特別巨大，對計(jì)算機(jī)配置也提出了更加嚴(yán)苛的要求；為節(jié)約計(jì)算資源，在本文仿真分析中，散熱器使用多孔介質(zhì)模型進(jìn)行簡化計(jì)算。使用多孔介質(zhì)模型需定義粘性阻力系數(shù)α-1和慣性阻力系數(shù)C2，該參數(shù)可以利用散熱器風(fēng)室實(shí)驗(yàn)進(jìn)行散熱器單體實(shí)驗(yàn)獲得，實(shí)驗(yàn)布置圖如3所示，采用文獻(xiàn)3、4中所述的實(shí)驗(yàn)方法進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)時分別在冷側(cè)和熱側(cè)布置壓力、溫度以及流量傳感器，通過分別改變熱側(cè)和冷側(cè)流量，獲取不同工況下散熱器的性能數(shù)據(jù)。

圖3 水箱及中冷器單體實(shí)驗(yàn)布置圖

散熱器單體實(shí)驗(yàn)測得的水箱外部阻力參數(shù)如表1所示。

表1水箱外部阻力數(shù)據(jù)

利用二次多項(xiàng)式擬合上述實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，得到散熱器芯子單位厚度上的壓力損失函數(shù)

多孔介質(zhì)模型Darcy定律可表示為

式中 μ——空氣動力粘度，為1.83×10-5Pa·s；

v——空氣流動速度，m/s；

ρ——空氣密度，為1.185kg/m3。

由于公式（1）與公式（2）等價，使用待定系數(shù)法求解得到粘性阻力系數(shù)α-1為2259016m-2，慣性阻力系數(shù)C2為75.17m-1。

中冷器多孔介質(zhì)參數(shù)計(jì)算與上述過程一致，此處不再贅述，計(jì)算得到中冷器粘性阻力系數(shù)α-1為919663m-2，慣性阻力系數(shù)C2為37.92m-1。

1.6仿真工況及參數(shù)設(shè)定

選用高空作業(yè)平臺定置舉升作業(yè)作為仿真工況，依照工況設(shè)定風(fēng)扇轉(zhuǎn)速為1600r/min，并設(shè)定工況下的發(fā)動機(jī)溫度為85℃、消聲器溫度300℃、環(huán)境溫度30℃，使用SIMPLE算法、Realizableκ-ε兩方程湍流模型和非平衡壁面函數(shù)，同時開啟傳熱求解，對湍流場進(jìn)行模擬，散熱器溫度邊界具體輸入?yún)?shù)見表2。首先進(jìn)行一階精度計(jì)算，計(jì)算2000步后切換至二階計(jì)算，當(dāng)殘差收斂至10-4，同時水箱與中冷風(fēng)量不再發(fā)生變化時，認(rèn)為計(jì)算結(jié)果已收斂。

表2CFD計(jì)算換熱器輸入?yún)?shù)

2仿真結(jié)果分析

2.1冷卻系統(tǒng)風(fēng)量校核

三維CFD仿真計(jì)算得到的冷卻系統(tǒng)風(fēng)量見表3，由主機(jī)廠提供參數(shù)可知，該發(fā)動機(jī)冷卻系統(tǒng)的散熱功率為25kW，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式（3）推算冷卻空氣質(zhì)量流量

式中Q——發(fā)動機(jī)散熱量，kW；

ca——冷卻空氣比熱，為1.009kJ/（kg·℃）；

Δt—— 冷卻空氣進(jìn)出口溫差一般取10℃～30℃，此處為20℃。

計(jì)算得到冷卻空氣的質(zhì)量流量為1.234kg/s，對比CFD仿真結(jié)果，模擬工況下冷卻系統(tǒng)風(fēng)量為1.576kg/s，因此，冷卻空氣流量滿足使用需求。

表3三維CFD仿真結(jié)果輸出表

2.2 流場分析

動力艙內(nèi)的流動是復(fù)雜的三維流動，在風(fēng)扇的作用下，空氣先后經(jīng)過中冷器與水箱，形成大大小小的漩渦結(jié)構(gòu)，通過截取關(guān)鍵截面的矢量圖，有助于了解動力艙的流動狀況。從速度矢量圖4與流動跡線圖5可以看出，水箱出口流出的熱空氣大部分沿機(jī)罩上頂面返回到了風(fēng)扇進(jìn)口，流經(jīng)水箱與中冷器被再次加熱，熱風(fēng)回流導(dǎo)致動力艙內(nèi)冷卻空氣溫度逐漸升高，降低了水箱的散熱能力；冷卻空氣中僅有一小部分沿配重與車架之間的間隙流出動力艙。

圖4 速度矢量圖

從圖6動力艙溫度分布云圖也可以看出，動力艙內(nèi)空氣平均溫度在85℃以上，經(jīng)過水散熱器與中冷器后溫度升高至95℃以上，熱風(fēng)回流導(dǎo)致動力艙內(nèi)冷卻空氣溫度逐漸升高，嚴(yán)重影響了冷卻系統(tǒng)的散熱性能。

圖5 流動跡線圖

圖6 動力艙靜壓云圖

綜合以上分析結(jié)果，冷卻系統(tǒng)風(fēng)量滿足使用要求，但散熱器上部熱風(fēng)回流現(xiàn)象明顯，間接降低了冷卻系統(tǒng)性能，存在過熱隱患，需采取優(yōu)化措施。

3 改進(jìn)方案及結(jié)果對比

在水箱出風(fēng)面與機(jī)罩之間增加門形擋板，防止熱風(fēng)回流，對改進(jìn)后的模型進(jìn)行CFD仿真計(jì)算，保持恒定參數(shù)及邊界條件，提取縱向空氣流動速度矢量圖及靜壓云圖進(jìn)行分析。由圖7分析可知，增加隔板后，水箱出口流出的空氣大部分按照設(shè)計(jì)要求沿配重與車架之間的間隙流出，小部分在配重上端形成渦流；由于擋板與配重的相互影響，冷卻空氣在動力艙尾部積聚，導(dǎo)致靜壓增大（見圖8），對冷卻系統(tǒng)產(chǎn)生負(fù)面影響，經(jīng)統(tǒng)計(jì)，優(yōu)化后冷卻系統(tǒng)風(fēng)量降低為1.373kg/s。

圖7 優(yōu)化方案速度矢量圖

圖8 優(yōu)化方案靜壓云圖

4 整車熱平衡試驗(yàn)驗(yàn)證

4.1 試驗(yàn)方法及儀器

為準(zhǔn)確衡量優(yōu)化方案的可行性，進(jìn)行整車熱平衡試驗(yàn)驗(yàn)證，試驗(yàn)如圖9所示。試驗(yàn)時，熱側(cè)分別布置溫度、壓力及流量傳感器，冷側(cè)布置溫度及風(fēng)速傳感器，測試涵蓋進(jìn)水溫度、出水溫度、冷卻液流量、進(jìn)風(fēng)溫度、出風(fēng)溫度、風(fēng)扇轉(zhuǎn)速等10余項(xiàng)20余個測試參數(shù)。試驗(yàn)時控制登高作業(yè)平臺連續(xù)進(jìn)行舉升作業(yè)，舉升重量400kg，模擬最大作業(yè)工況，待整車達(dá)到熱平衡狀態(tài)后記錄數(shù)據(jù)，試驗(yàn)結(jié)果見表4。

圖9 整車熱平衡試驗(yàn)

表4 整車熱平衡試驗(yàn)結(jié)果

4.2 試驗(yàn)結(jié)果分析

在試驗(yàn)工況下，測試時間內(nèi)水流量基本不發(fā)生變化，節(jié)溫器全部打開，發(fā)動機(jī)已開啟大循環(huán)模式；散熱器進(jìn)水溫度在1h內(nèi)保持穩(wěn)定，溫度變化在±1℃以內(nèi)，整機(jī)已達(dá)到熱平衡狀態(tài)；由試驗(yàn)結(jié)果可知，在環(huán)境溫度為32℃的使用工況下，發(fā)動機(jī)冷卻系統(tǒng)完全滿足使用要求。

在GB/T 12542-2009《汽車熱平衡能力道路試驗(yàn)方法》中使用許用環(huán)境溫度評價冷卻系統(tǒng)的適應(yīng)能力，許用環(huán)境溫度計(jì)算：

式中 T——許用環(huán)境溫度，℃；

TC——冷卻介質(zhì)許用最高溫度，℃；

Tw1——散熱器進(jìn)口溫度，℃；

TE——環(huán)境溫度，℃。

由上述公式計(jì)算可得

該冷卻系統(tǒng)許用環(huán)境溫度為54.49℃，許用環(huán)境溫度越高，冷卻系統(tǒng)適應(yīng)高溫環(huán)境的能力越強(qiáng)，由計(jì)算結(jié)果可知，該許用環(huán)境溫度完全滿足主機(jī)推廣應(yīng)用的需求。

5 結(jié)束語

（1）根據(jù)本文仿真需求，為風(fēng)扇及散熱器選取了合適的簡化模型，并對其參數(shù)設(shè)定進(jìn)行了詳細(xì)介紹，為三維仿真分析提供了準(zhǔn)確的邊界條件。

（2）使用計(jì)算流體力學(xué)分析方法可以準(zhǔn)確評估力艙內(nèi)流場分布情況，及時發(fā)現(xiàn)動力艙布置方面的問題，為產(chǎn)品優(yōu)化改進(jìn)提供了便捷有效的途徑。

［1］ 劉佳鑫，秦四成，孔維康. 虛擬風(fēng)洞下車輛散熱器模塊傳熱性能數(shù)值仿真［J］. 吉林大學(xué)學(xué)報(bào)（工學(xué)版），2012，（7）：834-839.

［2］ 沈勇，張永勝. 基于一維/三維偶和方針裝載機(jī)散熱系統(tǒng)研究［J］. 礦山機(jī)械.2016，（44）：20-23.

［3］JB/T 2293-1978. 汽車、拖拉機(jī)風(fēng)筒試驗(yàn)方法［S］.

［4］ GB/T 23338-2009. 內(nèi)燃機(jī)增壓空氣冷卻器技術(shù)條件［S］.