張弘韜，韓繼斌，葉歡，王浩，閆偉

(1.山東大學 能源與動力工程學院，山東 濟南　250061；2.山推工程機械股份有限公司，山東 濟寧　272073)

引言

客車在行駛過程中，發(fā)動機產(chǎn)生大量的熱量，如果散熱不及時，整個動力艙都會處于高溫狀態(tài),在這樣惡劣的環(huán)境下，不僅客車性能下降，而且相關(guān)零件容易損壞，因此動力艙熱管理系統(tǒng)的良好運行就變得尤為重要。進氣格柵不僅可以為發(fā)動機運行提供進氣，而且對動力系統(tǒng)和空調(diào)系統(tǒng)的散熱也起著重要作用[1]。有研究表明，通過進氣格柵的空氣能帶走30%的熱量[2]。而進氣格柵的不同布置會有不同大小的風阻和壓降，對進氣效果和質(zhì)量產(chǎn)生影響，從而影響動力艙的熱管理性能[3]。

對于不同布置的進氣格柵內(nèi)外側(cè)的壓降分析，如果采用傳統(tǒng)的試驗方法，不僅成本高昂，時間周期長，而且難以準確測量。所以本文采用基于計算流體力學(CFD)的仿真方法[4]。用Fluent軟件對該客車模型進行了三維計算分析，對橫向格柵、豎向格柵和兩側(cè)格柵三種布置分別進行計算和對比，發(fā)現(xiàn)在相同風扇轉(zhuǎn)速和相同車速下，豎向格柵的內(nèi)外側(cè)壓降要比其他兩種格柵布置的內(nèi)外側(cè)壓降小。

1　物理模型及網(wǎng)格劃分

某客車的三維仿真分析模型由幾部分組成：客車車體、車輪、發(fā)動機艙、位于車后部的進氣格柵以及后視鏡等。該客車的主要參數(shù)見表1。

表1　客車的整車參數(shù)

對計算所要涉及的整個流體區(qū)域進行網(wǎng)格劃分，利用Hypermesh、ICEM CFD等前處理軟件，對模型進行局部加密等處理后，最后生成的網(wǎng)格模型如圖1所示[5]。因為分別采用了三種布置，所以進氣格柵的網(wǎng)格數(shù)量有一些差別，使得客車模型的面網(wǎng)格和體網(wǎng)格的數(shù)量不完全一樣，但差別不大，生成的流體域面網(wǎng)格大約356萬，體網(wǎng)格大約1 650萬。風道體模型網(wǎng)格縱向截面如圖1。

圖1　模型風道體網(wǎng)格縱向截面

進氣格柵的格柵類型以及分布方式對空氣進入發(fā)動機艙后的流動和壓降有著重要的影響[6]。該客車模型分別分析了橫向進氣格柵同側(cè)布置、豎向進氣格柵同側(cè)布置和進氣格柵兩側(cè)布置對發(fā)動機艙內(nèi)流場的影響。由于進氣格柵對發(fā)動機艙的流場分布的影響比較大，因此需要對進氣格柵進行網(wǎng)格加密，細化網(wǎng)格之后，橫向布置的面網(wǎng)格數(shù)為139萬，豎向格柵的面網(wǎng)格為147萬，兩側(cè)布置的面網(wǎng)格為154萬。三種不同布置的進氣格柵如圖2所示。

圖2　進氣格柵網(wǎng)格模型

由于散熱風扇的旋轉(zhuǎn)會引起動力艙內(nèi)流場變化，從而影響格柵內(nèi)外側(cè)的壓力差，所以要對風扇的網(wǎng)格進行加密。

2　格柵壓降分析

圖3　整車三維壓力變化圖

為計算進氣格柵處的壓力損失和格柵內(nèi)外流場，分析在比較惡劣的工況下客車的阻力，假設(shè)該車的運行速度為96 km/h，風扇停止工作，沒有其他熱源。客車壓力變化見圖3，可以發(fā)現(xiàn)客車前臉壓力變化明顯，產(chǎn)生了較為明顯的壓降。

在風扇低轉(zhuǎn)速工況下，對三種布置的進氣格柵內(nèi)外壓降進行計算。

圖4給出了風扇處的前后兩個橫向進氣格柵在低轉(zhuǎn)速工況下的壓力分布云圖，可以看出因為散熱風扇的轉(zhuǎn)動以及進氣格柵阻力，存在壓力損失。對圖4中格柵壓力分別積分，計算出前后布置中，后方格柵內(nèi)外兩側(cè)平均壓差為6.69 Pa，前方格柵內(nèi)外兩側(cè)平均壓差為4.55 Pa。由于此時風扇的轉(zhuǎn)速比較低，而且客車行駛速度不快，周圍流場也不強，所以格柵處壓力損失相對較小。

a)后格柵外側(cè)　　　　　　　　　b)后格柵內(nèi)側(cè)　　　　　　　　　　　c)前格柵外側(cè)　　　　　　　　　d)前格柵內(nèi)側(cè)圖4　橫向進氣前后布置格柵壓力云圖

圖5是客車散熱風扇低轉(zhuǎn)速工況下的豎向進氣格柵前后布置的壓力云圖。對格柵壓力分別積分，計算出前后布置中，后方格柵內(nèi)外兩側(cè)平均壓差為4.12 Pa，前方格柵內(nèi)外兩側(cè)平均壓差為1.23 Pa。

a)后格柵外側(cè)　　　　　　　　　b)后格柵內(nèi)側(cè)　　　　　　　　　c)前格柵外側(cè)　　　　　　　　　d)前格柵內(nèi)側(cè)圖5　豎向進氣前后布置格柵壓力云圖

圖6為散熱風扇低轉(zhuǎn)速工況下進氣格柵分別布置在兩側(cè)時的壓力云圖。對圖中格柵壓力分別積分，計算出前后布置中，后方格柵內(nèi)外兩側(cè)平均壓差為32.03 Pa，前方格柵內(nèi)外兩側(cè)平均壓差為0.71 Pa。

a)風扇處格柵外側(cè)　　　　　　　b)風扇處格柵內(nèi)側(cè)　　　　　　　c)另一側(cè)格柵外側(cè)　　　　　　d)另一側(cè)格柵內(nèi)側(cè)圖6　客車進氣格柵兩側(cè)布置格柵壓力云圖

在風扇低轉(zhuǎn)速工況下，橫向格柵前后布置和豎向格柵前后布置內(nèi)外側(cè)壓降較小，而兩側(cè)布置中靠近風扇處格柵的壓降比另一側(cè)的要大很多，節(jié)流較明顯。

為了探究在不同風扇轉(zhuǎn)速、不同車速的情況下，不同類型和分布的進氣格柵內(nèi)外側(cè)壓降，需要確定每一種類型和分布的進氣格柵前后格柵的計算表面位置，對這些表面的計算結(jié)果進行對比分析。對模擬所得的格柵壓力圖分別積分，計算出不同類型和分布的進氣格柵內(nèi)外側(cè)平均壓力損失。

2.1　橫向隔柵布置壓降

圖7　橫向進氣格柵壓力降隨風扇轉(zhuǎn)速變化曲線

圖7是在散熱風扇轉(zhuǎn)速分別為0、1 446、1 928、2 300和2 658 r/min時橫向進氣格柵前后布置時，前進氣格柵和后進氣格柵的壓降變化。

對計算結(jié)果進行對比分析，當散熱風扇轉(zhuǎn)速提高時，橫向布置的前進氣格柵和后進氣格柵， 其內(nèi)外兩側(cè)壓差呈增大的趨勢，這是因為當散熱風扇轉(zhuǎn)速提高，進氣格柵內(nèi)側(cè)面和散熱風扇之間的負壓區(qū)擴大，并且格柵本身對氣流有阻力，使得進氣格柵內(nèi)外側(cè)的壓差增大。

2.2　客車兩側(cè)隔柵壓降

圖8　兩側(cè)布置格柵壓力降隨風扇轉(zhuǎn)速變化曲線

圖8是進氣格柵兩側(cè)布置時在散熱風扇轉(zhuǎn)速分別為0、1 452、1 928、2 299和2 658 r/min時，靠近風扇側(cè)格柵和另一側(cè)格柵的壓差變化。

對計算結(jié)果進行對比分析，當散熱風扇轉(zhuǎn)速提高時，靠近散熱風扇側(cè)格柵， 其內(nèi)外兩側(cè)壓差呈增大的趨勢，同樣也是由于當散熱風扇轉(zhuǎn)速提高，進氣格柵內(nèi)側(cè)面和散熱風扇之間的負壓區(qū)擴大，使得格柵內(nèi)外側(cè)的壓差增大。而客車遠離散熱風扇的那側(cè)格柵，由于幾乎不受另一側(cè)散熱風扇影響，所以其內(nèi)外側(cè)的壓降變化很小。

2.3　豎向隔柵壓降與車速關(guān)系

圖9　高轉(zhuǎn)速工況下豎向格柵壓力降隨車速變化曲線

圖9是豎向進氣格柵前后布置時，風扇高轉(zhuǎn)速工況下，車速分別為32、43、72、115和160 km/h時，前進氣格柵和后進氣格柵的壓力損失。

圖10　低轉(zhuǎn)速工況下豎向格柵壓力降隨車速變化曲線

對計算結(jié)果進行對比分析，當客車車速逐漸提高時，橫向布置的前進氣格柵和后進氣格柵， 其內(nèi)外兩側(cè)壓差呈減小的趨勢，這是因為隨著車速的增加，進氣格柵外側(cè)的壓力越來越小，從而使得格柵內(nèi)外側(cè)壓差逐漸減小，慢慢地減到零，之后繼續(xù)提高車速，散熱風扇轉(zhuǎn)速不變，在格柵內(nèi)側(cè)和風扇之間由于風扇運轉(zhuǎn)所產(chǎn)生的負壓區(qū)域的壓力，逐漸高于格柵外側(cè)的空氣壓力，使得格柵外側(cè)壓力小于格柵內(nèi)側(cè)壓力，并隨著車速的增加，差值越來越大。

圖10是豎向進氣格柵前后布置時在車速分別為20、27、45、72和100 km/h時，前進氣格柵和后進氣格柵的內(nèi)外側(cè)壓差。

對于散熱風扇低轉(zhuǎn)速工況下的分析，與上文高轉(zhuǎn)速工況下的分析類似，區(qū)別是在相同車速下，風扇低轉(zhuǎn)速工況時進氣格柵內(nèi)外側(cè)的壓差較高轉(zhuǎn)速工況要小，而且壓差反轉(zhuǎn)時的所對應的車速也相比高轉(zhuǎn)速工況條件下較小。

2.4　橫向和豎向形式格柵壓降比較

表2　低轉(zhuǎn)速和高轉(zhuǎn)速工況下兩種格柵壓力降對比

客車同側(cè)格柵布置，橫向和豎向兩種不同的格柵排列形式在相同車速下，散熱風扇低轉(zhuǎn)速工況(風扇轉(zhuǎn)速1 452 r/min、車速15.5 km/h)和高轉(zhuǎn)速工況下(風扇轉(zhuǎn)速2 299 r/min、車速32 km/h)前后格柵內(nèi)外側(cè)壓降對比見表2。

分析上表格柵壓降數(shù)據(jù)，可見在相同轉(zhuǎn)速和客車車速的情況下，不管前后進氣格柵，橫向格柵類型內(nèi)外側(cè)壓降都要大于豎向格柵類型內(nèi)外兩側(cè)的壓降，說明橫向格柵類型的進氣阻力比豎向格柵類型的進氣阻力要大。

3　結(jié)論

通過CFD三維仿真計算，分析對比不同條件不同布置的格柵壓降數(shù)據(jù)，得到以下結(jié)論：

1)不同行駛速度對進氣格柵布置在后方的客車進氣效果影響不大，影響進氣效果的主要是散熱風扇的轉(zhuǎn)速和進氣格柵的節(jié)流情況。

2)對于進氣格柵布置在同側(cè)的客車，橫向格柵要比豎向格柵的進氣效果要差，而進氣格柵分別布置在兩側(cè)時，靠近散熱風扇側(cè)的格柵壓降更大，進氣阻力較大，選擇豎向前后布置的格柵，進氣阻力最小，優(yōu)化了進氣效果。

參考文獻：

[1]王東,韓鈺.汽車發(fā)動機艙散熱性能的研究與優(yōu)化[J].汽車技術(shù),2015,(12):34-40.

[2]柴夢達.某車型格柵關(guān)閉對汽車風阻和發(fā)動機艙散熱性能的影響研究[D].合肥:合肥工業(yè)大學,2015.

[3]王晶,張成春,張春艷,等.客車側(cè)圍格柵對發(fā)動機艙內(nèi)熱環(huán)境的影響[J].吉林大學學報(工學版),2012,42(3):563-568.

[4]李世偉,吳國榮,田杰安,等.基于公交車發(fā)動機艙的熱管理系統(tǒng)CFD分析[J].內(nèi)燃機與動力裝置,2011,28(5):25-27.

[5]倪計民,沈凱,朱黎明,等.后置發(fā)動機客車整車環(huán)境下冷卻模塊性能分析[J].汽車技術(shù),2013(10):35-39.

[6]王東,樊登云,易吉云.格柵對汽車前端進氣影響的仿真分析[J].計算機輔助工程,2013,22(6):18-22.