李勝凱，桂 勇，魯 俊

(1.陸軍裝甲兵學(xué)院 車輛工程系，北京 100072； 2.61150部隊(duì)，陜西 榆林 719000)

動(dòng)力艙作為裝備的“核心”部位，主要由冷卻系統(tǒng)、動(dòng)力傳動(dòng)裝置和進(jìn)排氣系統(tǒng)等部件組成。隨著發(fā)動(dòng)機(jī)率的不斷提升，電機(jī)、電器等新熱源的加入和動(dòng)力艙“先進(jìn)集成設(shè)計(jì)”的布置，導(dǎo)致動(dòng)力艙內(nèi)工作熱負(fù)荷提升、環(huán)境溫度較為惡化，對(duì)冷卻系統(tǒng)的要求也越來越高[1-3]。

用隔板將散熱器和動(dòng)力傳動(dòng)部件之間的散熱風(fēng)道隔離方式稱為封閉式動(dòng)力艙。由于封閉式采用車外進(jìn)氣方式，沒有空氣進(jìn)入動(dòng)力傳動(dòng)裝置外壁面風(fēng)道，導(dǎo)致高溫部件表面熱量堆積，隨著溫度的不斷升高，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的可靠性影響也較大，會(huì)使發(fā)動(dòng)機(jī)的使用壽命縮短、經(jīng)濟(jì)性也變差。

本文針對(duì)動(dòng)力艙建立三維模型，用CFD軟件仿真分析的方法進(jìn)行數(shù)值模擬。對(duì)于熱流場的流動(dòng)性差的問題，通過增寬動(dòng)力艙排氣縫，改變風(fēng)扇位置，在裝甲板上方進(jìn)行開孔安裝引氣風(fēng)扇等方法進(jìn)行仿真分析計(jì)算，得到最優(yōu)方案。以冷卻系統(tǒng)部件附近的排氣溫度、流速場、風(fēng)道的阻力作為主要評(píng)價(jià)指標(biāo)，建立風(fēng)道熱流場綜合評(píng)價(jià)模型，為以后冷卻系統(tǒng)綜合評(píng)價(jià)提供借鑒和指導(dǎo)[4]。

1 CFD三維模型的建立和計(jì)算

1.1 建立幾何模型

用SolidWorks軟件對(duì)動(dòng)力艙按照實(shí)車比例建模，本文只考慮風(fēng)道，對(duì)幾何模型進(jìn)行簡化，保留基本外形，對(duì)一些流動(dòng)影響較小的零部件和凹凸不平的部位進(jìn)行忽略。圖1是封閉式動(dòng)力艙的簡圖。

圖1 封閉式動(dòng)力艙簡圖

首先建立封閉動(dòng)力艙和外部計(jì)算域的一些物理模型，對(duì)各部件的結(jié)構(gòu)尺寸和空間位置進(jìn)行虛擬化，保留主要部件，對(duì)一些幾何尺寸小的和傳熱影響較小的部件進(jìn)行簡化和省略。圖2是簡化后的動(dòng)力艙三維計(jì)算模型。

圖2 動(dòng)力艙三維計(jì)算模型

1.2 數(shù)學(xué)模型的建立

本文主要對(duì)動(dòng)力艙風(fēng)道氣側(cè)的阻力與熱流場進(jìn)行分析，其內(nèi)流動(dòng)和傳熱較為復(fù)雜，可以假設(shè)艙內(nèi)空氣設(shè)定常流動(dòng)且不可壓縮，艙內(nèi)為湍流的流動(dòng)狀態(tài)并且和壁面進(jìn)行耦合換熱?？刂品匠炭梢杂脻M足流體的連續(xù)性方程、動(dòng)量方程和能量方程這三大力學(xué)方程。湍流模型可以采用標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型，計(jì)算收斂性與精確性都符合工程計(jì)算方面要求。其公式如下：

湍流動(dòng)量方程：

(1)

湍流動(dòng)能耗散率方程：

(2)

式(1)中ρ是流體的密度;xi、xj是直角坐標(biāo)系的分量;k是湍流脈動(dòng)動(dòng)能;μ是流體分子粘度系數(shù);μi是湍流粘性系數(shù);ε是湍流耗散率;σk是對(duì)x的普朗特?cái)?shù);c1ε、c2ε為常系數(shù);σε是對(duì)ε的普朗特?cái)?shù);Gk是由于時(shí)均速度梯度產(chǎn)生的k的增量，且有：

(3)

1.3 網(wǎng)格劃分

由于計(jì)算模型相對(duì)復(fù)雜，其各部件具有不同的流動(dòng)狀況，所以采用軟件CFD將計(jì)算區(qū)域進(jìn)行網(wǎng)格劃分，綜合計(jì)算機(jī)性能與計(jì)算精度，最終可以確定外流場的大小是4500×4000×2500mm，可采用網(wǎng)格結(jié)構(gòu)化劃分，對(duì)于內(nèi)流場與裝甲板固體域采用網(wǎng)格非結(jié)構(gòu)化劃分，這樣可以去適應(yīng)內(nèi)部復(fù)雜形狀，最終網(wǎng)格數(shù)量為26853451個(gè)。圖3是動(dòng)力艙計(jì)算區(qū)域網(wǎng)格劃分圖。

圖3 動(dòng)力艙計(jì)算區(qū)域網(wǎng)格劃分圖

1.4 邊界條件

可采用速度作為外流場入口的邊界條件，采用壓力作為出口邊界，在計(jì)算區(qū)域的頂部和左、右側(cè)，可設(shè)置對(duì)稱的邊界條件，這樣獲得好的收斂效果，對(duì)封閉動(dòng)力艙裝甲板壁面作為固體面邊界條件，用流固耦合傳熱的方法將裝甲板內(nèi)外壁面作為內(nèi)部條件，采用第一類熱邊界條件[5]。

熱通量計(jì)算公式如下：

q=hf(Tw-Tf)+qrad.

(4)

其中hf為流體的熱傳導(dǎo)系數(shù)；Tw為壁面給定的溫度；Tf為流體的溫度；qrad為輻射熱通量。

2 CFD計(jì)算結(jié)果分析

本文給工況為：車速是72km/h，發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速是2000r/min，油門開度是100%，環(huán)境溫度是300K，傳動(dòng)裝置處于最高排檔狀態(tài)，冷卻風(fēng)扇轉(zhuǎn)速為4853r/min，進(jìn)排氣百葉窗和中冷氣百葉窗全開。

由圖4可看出封閉式散熱風(fēng)道內(nèi)的流速基本為零，主要是自然對(duì)流。這是因封閉式動(dòng)力艙主要采用車外進(jìn)氣方式，外壁面風(fēng)道沒有冷卻空氣進(jìn)入，僅尾裝甲板開有的一排氣縫，艙內(nèi)空氣無法流通。這會(huì)導(dǎo)致高溫部件表面積累溫度，無法帶走熱量。

圖4 動(dòng)力艙空氣流速場跡線圖

圖5是Z=1.8m截面處的溫度場云圖，由圖可看出溫度較高的區(qū)域是柴油機(jī)上方排氣管周圍區(qū)域，最高可達(dá)到700K，出現(xiàn)主要在排氣管壁面上。

圖5 Z=1.8截面處的溫度場云圖

圖6是Y=0.29m截面處溫度場云圖，該區(qū)域在排氣管正上方，且截面布置較為復(fù)雜，從截圖的上側(cè)到下側(cè)有空氣濾清器，增壓器，增壓器附件，水箱等部件，且離排氣管較近，導(dǎo)致區(qū)域溫度整體較高，應(yīng)予以關(guān)注。

圖6 Y=0.29m截面處溫度場云圖

3 結(jié)論

通過本文的計(jì)算結(jié)果，動(dòng)力艙內(nèi)部溫度較高，且高溫部件表面熱量無通風(fēng)結(jié)構(gòu)帶走，會(huì)變成一個(gè)“死腔”。長此以往，必會(huì)影響柴油機(jī)可靠性和電子元器件壽命，因此很有必要對(duì)動(dòng)力艙進(jìn)行結(jié)構(gòu)改進(jìn)。通過本文的溫度場和熱流場仿真分析，對(duì)下步的封閉動(dòng)力艙散熱風(fēng)道改進(jìn)提供了參考和指導(dǎo)。