桂 勇， 劉紅彬， 周 亮， 駱清國， 司小雨

(1.陸軍裝甲兵學院， 北京 100072；2.陸軍裝甲兵軍代局駐長春地區(qū)軍代室，長春 130103)

散熱器是裝甲車輛冷卻系統(tǒng)的重要組成部分，散熱器在極限環(huán)境中的散熱能力對發(fā)動機正常工作及整車性能的發(fā)揮具有重要意義[1-2].

我國高原、沙漠面積廣闊，氣候干燥，降水稀少，土質(zhì)松軟，沙塵與空氣形成的氣固兩相流對散熱器的散熱效果影響較大[3-4].因此，研究不同沙塵條件對裝甲車輛散熱器散熱性能的影響規(guī)律，有利于增強裝甲車輛的環(huán)境適應性和戰(zhàn)場生存能力.

本研究以某裝甲車輛水散熱器為研究對象，建立了沙塵環(huán)境下散熱器散熱性能試驗臺，通過正交試驗法，設(shè)計了試驗方案，通過試驗，獲取了邊界條件.建立了風道及散熱器三維模型，采用歐拉-拉格朗日法[5-6]，將沙塵顆粒和空氣分別視為離散相和連續(xù)相，對沙塵顆粒采用離散相模型(discrete phase model，DPM)，對空氣和水采用k-ε模型，并利用相間耦合的SIMPLEC算法，對散熱器氣側(cè)和水側(cè)流場進行三維數(shù)值仿真計算[7].通過試驗驗證了仿真模型的準確性，研究了不同沙塵條件對裝甲車輛散熱器散熱性能的影響規(guī)律.

1 試驗研究

1.1 工作原理

圖1為沙塵試驗原理示意圖，試驗中，在風扇的作用下冷卻空氣由空氣入口進入風道，給料機將沙塵顆粒從冷卻風道上端注入，沙塵顆粒與冷卻空氣通過均勻混合段形成均勻混合的含沙塵氣流，隨后對散熱器進行冷卻.散熱器的風側(cè)進出口分別布置有風速傳感器和溫度傳感器，水側(cè)進出口布置有溫度傳感器[8].

圖1 沙塵試驗原理示意圖

1.2 試驗臺架及測控系統(tǒng)

圖2為試驗臺架的給料機和風道的實物圖，給料機為GZV微型電磁振動給料機.

圖2 試驗臺架實物圖

圖3為參數(shù)采集系統(tǒng)界面，試驗時可以通過采集系統(tǒng)觀察和讀取參數(shù).

圖3 參數(shù)采集系統(tǒng)

1.3 試驗及分析

試驗環(huán)境為：大氣壓力為0.101 MPa，溫度24 ℃.散熱器進口水流量為2.42 m3/h，溫度為90 ℃.當風扇轉(zhuǎn)速分別為1 000 r/min、1 500 r/min、2 000 r/min、2 500 r/min時，測得散熱器迎風面風速分別為1.0 m/s、1.8 m/s、2.5 m/s、3.4 m/s.

目前國標和軍標尚未制定裝甲車輛散熱器所處沙塵環(huán)境通用規(guī)范，但由于該環(huán)境與軍標中裝甲車輛空氣濾清器所處沙塵環(huán)境相近，本研究采用該通用規(guī)范相關(guān)標準[9]，選取粒度為5 μm、20 μm、53 μm和200 μm四種典型粒徑沙塵顆粒，沙塵濃度分別為0.5 g/m3、1.0 g/m3、1.5 g/m3、2.0 g/m3.采用正交試驗設(shè)計法設(shè)計試驗[10-11]，表1為選定的因素和水平.

表1 正交試驗因素水平表

由于沒有三因素四水平正交表，這里使用L16(4^5)正交表，將最后兩列當做空列，確定出16種試驗方案.對同一試驗工況重復采集5次數(shù)據(jù)，求取平均值作為最終數(shù)據(jù)，試驗結(jié)果如表2所示.

表2 試驗結(jié)果

2 仿真模型

2.1 物理模型建立

目前，裝甲車輛上普遍采用的是板翅式散熱器，其主要由氣側(cè)、水側(cè)矩形翅片和隔板組成，根據(jù)實物幾何參數(shù)，利用Pro/E建模軟件，建立三維實體模型如圖4所示.

圖4 散熱器三維實體模型

由于板翅式散熱器芯體結(jié)構(gòu)復雜，氣側(cè)、水側(cè)翅片數(shù)目較多，直接對整體模型進行數(shù)值模擬，生成的網(wǎng)格數(shù)量巨大，對計算機硬件和計算時間要求高，甚至無法承受[12-14].為節(jié)省計算資源，以板翅式散熱器的基本單元為研究對象，其三維實體模型如圖5所示.

2.2 流體域模型建立及網(wǎng)格劃分

分別建立氣側(cè)和水側(cè)流體域模型，為使流體流動得到充分發(fā)展，同時防止出口產(chǎn)生回流，建立氣側(cè)流體域模型時，設(shè)置空氣入口與出口到散熱器的距離為其高度的3倍和6倍[15]，如圖6所示.利用Mesh網(wǎng)格劃分軟件，對散熱器基本單元及其氣側(cè)和水側(cè)流體域進行網(wǎng)格劃分，對各計算域接觸部位進行網(wǎng)格加密，如圖7所示.

圖5 散熱器基本單元三維實體模型

圖6 流體域模型

圖7 網(wǎng)格模型

3 對比驗證及結(jié)果分析

利用通過試驗得到的邊界條件，進行仿真計算，并對模型進行修正.表3為散熱器出風口溫度試驗與仿真對比結(jié)果，可以看出，相對誤差最大為7.43%，仿真模型計算誤差在允許的范圍之內(nèi).

表3 仿真值與實測值誤差對比

3.1 沙塵顆粒運動軌跡模擬

圖8為不同流速條件下沙粒分布. 沙塵顆粒在進入散熱器翅片管束前，在重力和冷卻風的作用下，速度逐漸增加，由于自身質(zhì)量較小，隨冷卻風的流動而產(chǎn)生波動. 當通過散熱器翅片管束時，由于流動面積變小，風速增大，冷卻風對沙塵顆粒的作用力相應增大，沙塵顆粒與翅片管束間的相互作用更加劇烈.

圖8 不同流速條件下沙粒分布

圖9為不同粒徑條件下沙粒分布. 粒徑越小，單位時間內(nèi)與換熱面接觸并產(chǎn)生碰撞的顆粒數(shù)量越多，顆粒與壁面的碰撞頻率也就越大，相反，隨著顆粒粒徑的增大，單位時間內(nèi)與換熱面接觸并產(chǎn)生碰撞的顆粒數(shù)量將會減少.

圖9 不同粒徑條件下沙粒分布

圖10為不同沙塵濃度條件下的沙粒分布.隨著沙塵濃度增大，沙塵顆粒在氣固兩相流中所占的比例不斷提高，沙塵與換熱面接觸與碰撞的概率也就越大，也相當于增加了顆粒與壁面的碰撞頻率.

圖10 不同濃度條件沙粒分布

3.2 換熱特性影響規(guī)律分析

3.2.1 不同流速對散熱的影響

氣側(cè)換熱系數(shù)隨流速的變化曲線，如圖11所示，氣側(cè)換熱系數(shù)隨著流速的增大而升高.這是由于隨著流速增大，沙塵顆粒與壁面的碰撞頻率提高而停留時間減小，在增強對邊界層破壞效果的同時，風量的提高還可使邊界層減薄和純氣流的傳熱系數(shù)增加，使氣側(cè)整體換熱效果增強.

圖11 氣側(cè)換熱系數(shù)隨流速的變化曲線

3.2.2 不同粒徑沙塵顆粒對散熱的影響

氣側(cè)換熱系數(shù)隨粒徑的變化曲線，如圖12所示，氣側(cè)換熱系數(shù)隨著粒徑的增大而減小.這是由于隨著顆粒粒徑的增大，單位時間內(nèi)與換熱面接觸并產(chǎn)生碰撞的顆粒數(shù)量將會減少，從而降低了對換熱面邊界層的破壞效果，降低了散熱效果.

圖12 氣側(cè)換熱系數(shù)隨粒徑的變化曲線

3.2.3 不同濃度沙塵顆粒對散熱的影響

氣側(cè)換熱系數(shù)隨濃度的變化曲線，如圖13所示，氣側(cè)換熱系數(shù)隨著沙塵顆粒濃度的增大而升高.這是由于隨著沙塵顆粒體積分數(shù)的增大，顆粒在氣固兩相流中所占比例相應提高，增加了顆粒與換熱面接觸與碰撞的概率，對換熱面邊界層的破壞效果增強，進而提高了散熱效果.

圖13 氣側(cè)換熱系數(shù)隨濃度的變化曲線

4 結(jié) 論

本研究搭建了沙塵環(huán)境下散熱器熱交換試驗臺，建立了散熱器三維模型、流體域仿真模型，采用試驗與仿真相結(jié)合的方法，研究了沙塵顆粒運動軌跡，分析了沙塵影響散熱的機理，深入研究了氣流速度、沙塵粒徑、沙塵濃度等因素對裝甲車輛散熱器散熱性能的影響，并得到如下結(jié)論：

1)隨著含塵氣體流速的增大，沙塵顆粒與壁面的碰撞頻率提高，增強對邊界層破壞效果，同時，還可使邊界層減薄和純氣流的傳熱系數(shù)增加，使氣側(cè)整體換熱效果增強，氣側(cè)換熱系數(shù)增大；

2)隨著顆粒粒徑的增大，單位時間內(nèi)與換熱面接觸并產(chǎn)生碰撞的顆粒數(shù)量會減少，降低了對換熱面邊界層的破壞效果，氣側(cè)換熱系數(shù)減?。?/p>

3)隨著沙塵濃度的增大，顆粒與換熱面接觸與碰撞概率增大，對換熱面邊界層的破壞效果增強，氣側(cè)換熱系數(shù)升高.

研究為裝甲車輛散熱器優(yōu)化設(shè)計提供了依據(jù).