譚禮斌，袁越錦

（陜西科技大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，陜西 西安 710021）

發(fā)電機(jī)組作為常用的應(yīng)急供電設(shè)備，通常適用于移動(dòng)性舞臺(tái)、學(xué)校、商場(chǎng)、信號(hào)基站及大數(shù)據(jù)中心等場(chǎng)合。隨著技術(shù)的發(fā)展和工業(yè)技術(shù)的強(qiáng)大，發(fā)電機(jī)組的應(yīng)用范圍也越來(lái)越廣泛[1]。依據(jù)高性能和輕量化的設(shè)計(jì)要求，發(fā)電機(jī)組整體結(jié)構(gòu)緊湊。機(jī)組內(nèi)部結(jié)構(gòu)包含發(fā)動(dòng)機(jī)、風(fēng)扇、油箱、變頻器、電機(jī)、點(diǎn)火器、起動(dòng)器、散熱器等零部件[2-5]。在狹小的封閉空間內(nèi)，發(fā)電機(jī)組工作時(shí)機(jī)艙內(nèi)部溫度會(huì)很快升高，若內(nèi)部部件不能得到及時(shí)冷卻，會(huì)嚴(yán)重影響發(fā)電機(jī)組的運(yùn)行功率，且會(huì)因?yàn)閮?nèi)部溫度的升高，破壞零部件間的裝配關(guān)系，加大部件間的摩擦磨損，從而導(dǎo)致機(jī)組停機(jī)卡死現(xiàn)象。因此，為了保證發(fā)電機(jī)組的有效運(yùn)行，必須對(duì)發(fā)電機(jī)組整機(jī)流場(chǎng)進(jìn)行全面分析和合理評(píng)估，保證發(fā)電機(jī)組具備較好的散熱性能且能在安全工作內(nèi)高效運(yùn)轉(zhuǎn)[6]。

目前，隨著計(jì)算流體力學(xué)技術(shù)（computational fluid dynamics，CFD）的發(fā)展，采用虛擬仿真分析方法進(jìn)行工程機(jī)械產(chǎn)品的設(shè)計(jì)與開(kāi)發(fā)已得到學(xué)者們的日益關(guān)注[7-9]。張運(yùn)峰[10]采用AMEsim 一維仿真工具搭建了柴油發(fā)電機(jī)組熱管理系統(tǒng)分析模型，分析了各個(gè)零部件特性對(duì)熱管理系統(tǒng)散熱特性的影響規(guī)律，提出了系統(tǒng)改進(jìn)措施，保證設(shè)備具有良好的散熱性能。Xu等[11]采用CFD 軟件對(duì)發(fā)電機(jī)組流場(chǎng)特性進(jìn)行了數(shù)值模擬及優(yōu)化，研究了吸聲材料對(duì)散熱的影響，為發(fā)電機(jī)組結(jié)構(gòu)改進(jìn)提供了參考?；贑FD 技術(shù)的數(shù)值模擬方法可快速獲取整機(jī)內(nèi)部流場(chǎng)分布信息，并針對(duì)性地進(jìn)行流場(chǎng)優(yōu)化，以提升產(chǎn)品性能。因此，本文基于CFD 基礎(chǔ)理論，對(duì)發(fā)電機(jī)組整機(jī)流場(chǎng)進(jìn)行數(shù)值模擬，分析各冷卻風(fēng)道風(fēng)量分布情況，并采用單一變量控制方法進(jìn)行發(fā)電機(jī)組冷卻風(fēng)量提升的研究，獲取提升整機(jī)散熱冷卻風(fēng)量的提升方案，為后續(xù)發(fā)電機(jī)組結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與改進(jìn)提供參考。

1 物理模型

發(fā)電機(jī)組三維模型如圖1所示。圖中有3 個(gè)進(jìn)風(fēng)口和1 個(gè)出風(fēng)口：機(jī)組前進(jìn)風(fēng)、機(jī)組左進(jìn)風(fēng)、機(jī)組右進(jìn)風(fēng)、機(jī)組后出風(fēng)。采用CFD 分析軟件STAR-CCM+11.06 中多面體網(wǎng)格和邊界層網(wǎng)格技術(shù)對(duì)整機(jī)外流場(chǎng)計(jì)算域進(jìn)行網(wǎng)格劃分，獲得如圖2所示的整機(jī)外流場(chǎng)計(jì)算模型。該模型網(wǎng)格數(shù)量為1 200 萬(wàn)。該發(fā)電機(jī)組進(jìn)行性能測(cè)試環(huán)境溫度為28℃，運(yùn)行時(shí)對(duì)應(yīng)的風(fēng)扇轉(zhuǎn)速為3 600 r/min。圖3為發(fā)電機(jī)組內(nèi)各冷卻風(fēng)道截面示意圖，用來(lái)監(jiān)測(cè)各冷卻風(fēng)道風(fēng)量值的大小，便于后續(xù)進(jìn)行對(duì)比分析。

圖1 整機(jī)三維模型圖

圖2 整機(jī)外流場(chǎng)計(jì)算模型

圖3 冷卻風(fēng)道截面示意圖

2 數(shù)學(xué)模型及邊界條件

選取STAR-CCM+中的k-ε兩方程湍流模型進(jìn)行發(fā)電機(jī)組整機(jī)流場(chǎng)特性數(shù)值模擬。機(jī)組內(nèi)氣流流動(dòng)假設(shè)為不可壓縮的穩(wěn)態(tài)流動(dòng)狀態(tài)，過(guò)程中不考慮溫度變化，因此，相應(yīng)的數(shù)學(xué)模型方程[12]如下。

1）連續(xù)性方程為

式中：u、v、w為速度分量，m/s；ρ為流體密度，kg/m3；Fx，F(xiàn)y，F(xiàn)z為體積力，N；μ為流體黏度系數(shù)，Pa·s；p是流體微元體上的壓力，Pa；?為拉普拉斯算子；t為時(shí)間，s；xi和xj為2 個(gè)方向坐標(biāo)分量，m；ui為i方向速度分量，m/s；μt為渦流運(yùn)動(dòng)黏滯系數(shù)；k為湍動(dòng)能，m2/s2；ε為湍動(dòng)能耗散率，m2/s3；Gk為速度梯度產(chǎn)生的湍動(dòng)能項(xiàng)；Gb為浮力產(chǎn)生的湍動(dòng)能項(xiàng)；YM為膨脹耗散項(xiàng)；C1ε、C2ε、C3ε為經(jīng)驗(yàn)常數(shù)；Prk，Prε分別為湍動(dòng)能k和耗散率ε的湍流普朗特?cái)?shù)；Sk和Sε為用戶定義源項(xiàng)。

發(fā)電機(jī)組整體流場(chǎng)數(shù)值模擬計(jì)算中需要的邊界條件設(shè)置如下：1）風(fēng)扇旋轉(zhuǎn)域旋轉(zhuǎn)速度為3 600 r/min，采用MRF（moving reference frame）方法實(shí)現(xiàn)；2）流體計(jì)算域入口設(shè)置為滯止入口（stagnation inlet），出口邊界為壓力出口（pressure outlet），環(huán)境溫度為28 ℃，流體屬性選擇為標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下空氣。

3 結(jié)果分析與討論

3.1 風(fēng)量分布分析

圖4表示發(fā)電機(jī)組各冷卻風(fēng)道風(fēng)量對(duì)比。從圖中可以看出，風(fēng)扇進(jìn)風(fēng)風(fēng)量為40 g/s，總風(fēng)量相比同等規(guī)格的機(jī)組風(fēng)量較?。ㄕ麢C(jī)風(fēng)扇入口冷卻風(fēng)量應(yīng)在75 g/s 左右較宜[5]）。從風(fēng)道風(fēng)量分布來(lái)看，電機(jī)定子內(nèi)外流道風(fēng)量分別為12.5 g/s、21.7 g/s，風(fēng)量較大，有可能是熱風(fēng)回流導(dǎo)致定子風(fēng)量大，不利于定子的冷卻。圖5為發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力速度流線，用于查看電機(jī)處的回流。從圖中可以看出，電機(jī)處部分進(jìn)風(fēng)來(lái)源于發(fā)動(dòng)機(jī)的熱風(fēng)回流，這就是電機(jī)定子流道進(jìn)風(fēng)風(fēng)量較大的原因。該熱風(fēng)回流現(xiàn)象可嘗試添加隔風(fēng)擋板進(jìn)行消除。

圖4 冷卻風(fēng)道風(fēng)量分布對(duì)比

圖5 電機(jī)熱風(fēng)回流現(xiàn)象

3.2 速度分布分析

圖6—8分別為發(fā)動(dòng)機(jī)表面速度分布、電機(jī)表面速度分布及變頻器表面速度分布云圖。從圖6可以看出，發(fā)動(dòng)機(jī)迎風(fēng)側(cè)表面速度分布較好，背風(fēng)側(cè)表面速度分布較差。從圖7可以看出，電機(jī)背風(fēng)側(cè)表面速度大，其原因是熱風(fēng)回流至電機(jī)，風(fēng)量大，從而速度大。熱風(fēng)不利于電機(jī)的冷卻，需要對(duì)此處熱風(fēng)進(jìn)行隔斷。從圖8可以看出，變頻器正面的速度分布較合理，背面的速度較差，需要改善。從這3 個(gè)重要部件的表面速度分布來(lái)看，整機(jī)流場(chǎng)分布特性不合理，需要進(jìn)行針對(duì)性地優(yōu)化，以提升整機(jī)散熱性能。

圖6 發(fā)動(dòng)機(jī)表面速度分布

圖7 電機(jī)表面速度分布

圖8 變頻器表面速度分布

3.3 單一變量控制方法進(jìn)行風(fēng)量提升方案研究

為了探究進(jìn)風(fēng)結(jié)構(gòu)、出風(fēng)結(jié)構(gòu)及隔熱擋板等對(duì)整機(jī)流場(chǎng)特性的影響，現(xiàn)對(duì)該發(fā)電機(jī)組某一結(jié)構(gòu)做單一改動(dòng)，以判斷其對(duì)整機(jī)流場(chǎng)特性的影響，為后續(xù)優(yōu)化方案提供參考。圖9為調(diào)整左右進(jìn)風(fēng)口形式示意圖。發(fā)電機(jī)組原結(jié)構(gòu)左右進(jìn)風(fēng)口格柵角度為90°，氣流導(dǎo)向?yàn)榇怪毕蛏?；調(diào)整后左右進(jìn)風(fēng)口格柵角度為80°，且格柵深度拉伸了2 mm，進(jìn)風(fēng)面積增加且氣流導(dǎo)向比原狀態(tài)平滑。圖10為原結(jié)構(gòu)和改進(jìn)進(jìn)風(fēng)結(jié)構(gòu)下的冷卻風(fēng)道風(fēng)量對(duì)比。從圖中可以看出，左、右進(jìn)風(fēng)結(jié)構(gòu)的改變，主要影響了機(jī)組的風(fēng)量分配，前進(jìn)風(fēng)減少，而左右進(jìn)風(fēng)增加，對(duì)總進(jìn)風(fēng)影響變化不大（風(fēng)扇入口風(fēng)量從40 g/s 到43.8 g/s）。

圖9 調(diào)整機(jī)組左、右進(jìn)風(fēng)口形式

圖10 冷卻風(fēng)道風(fēng)量分布對(duì)比（改進(jìn)風(fēng)結(jié)構(gòu)）

為了降低風(fēng)扇前端進(jìn)風(fēng)阻力，調(diào)整了風(fēng)扇拉盤（拉盤抬高10 mm）結(jié)構(gòu)，如圖11所示。圖12為原結(jié)構(gòu)和拉盤抬高10 mm 下的冷卻風(fēng)道風(fēng)量對(duì)比。從圖中可以看出，拉盤提高10 mm，機(jī)組進(jìn)風(fēng)量并沒(méi)有得到較大提升（風(fēng)扇入口風(fēng)量從40 g/s 到41.6 g/s），可以判定進(jìn)風(fēng)阻力不是造成機(jī)組進(jìn)風(fēng)量小的原因。

圖11 風(fēng)扇拉盤抬高10 mm

圖12 冷卻風(fēng)道風(fēng)量分布對(duì)比（拉盤抬高10 mm）

為研究出風(fēng)阻力對(duì)機(jī)組風(fēng)量的影響，將出風(fēng)格柵去掉，如圖13所示，進(jìn)行整機(jī)流場(chǎng)分析，得到圖14的原結(jié)構(gòu)和去掉格柵后的冷卻風(fēng)道風(fēng)量對(duì)比。從圖中可以看出，去掉格柵后風(fēng)量增加不明顯，說(shuō)明影響機(jī)組出風(fēng)阻力的關(guān)鍵不在于出風(fēng)格柵。

圖13 去掉出風(fēng)格柵

圖14 冷卻風(fēng)道風(fēng)量分布對(duì)比（去掉出風(fēng)格柵）

電機(jī)進(jìn)風(fēng)存在發(fā)動(dòng)機(jī)的熱風(fēng)回流，因此需要考慮添加擋板隔斷熱風(fēng)回流，如圖15所示。圖16為原結(jié)構(gòu)和發(fā)動(dòng)機(jī)添加隔熱風(fēng)擋板后的各冷卻風(fēng)道風(fēng)量對(duì)比圖。從圖中可以看出，電機(jī)定子進(jìn)風(fēng)量大幅下降，且總進(jìn)風(fēng)量提升了10%左右，說(shuō)明加擋板不但阻斷了回流，而且可以增加機(jī)組進(jìn)風(fēng)量，后續(xù)將此改動(dòng)在最終優(yōu)化方案中體現(xiàn)。

圖15 發(fā)動(dòng)機(jī)加擋板（隔斷熱風(fēng)回流）

圖16 冷卻風(fēng)道風(fēng)量分布對(duì)比（發(fā)動(dòng)機(jī)加擋板）

3.4 優(yōu)化方案及流場(chǎng)結(jié)果對(duì)比

為了提升發(fā)電機(jī)組總進(jìn)風(fēng)量，前述單一變量控制方法對(duì)單一結(jié)構(gòu)對(duì)風(fēng)量的影響進(jìn)行了研究，結(jié)合前述研究可以看出，改進(jìn)進(jìn)風(fēng)結(jié)構(gòu)、去掉出風(fēng)格柵（改出風(fēng)阻力）和添加出風(fēng)擋板對(duì)整機(jī)冷卻風(fēng)量都有提升，其中添加發(fā)動(dòng)機(jī)擋板方案不僅隔斷了熱風(fēng)回流且風(fēng)量提升明顯。結(jié)合單一因素控制方法研究結(jié)果，提出圖17的發(fā)電機(jī)組結(jié)構(gòu)改進(jìn)組合方案。側(cè)風(fēng)口向下移動(dòng)110 mm，右側(cè)風(fēng)口向上移動(dòng)80 mm，左風(fēng)口下移可兼顧油箱底部及點(diǎn)火器的散熱，右風(fēng)口上移可以中和機(jī)組腔內(nèi)上升的熱空氣；消聲器護(hù)罩出風(fēng)口加大，正投影可看到發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻風(fēng)道，可以降低機(jī)組出風(fēng)阻力；發(fā)動(dòng)機(jī)添加隔板，隔斷熱風(fēng)回流。圖18為發(fā)電機(jī)組原結(jié)構(gòu)和優(yōu)化方案的各冷卻風(fēng)道風(fēng)量對(duì)比。從圖中可以看出：風(fēng)扇進(jìn)風(fēng)量從40 g/s 提升至75.79 g/s，總風(fēng)量提升明顯；電機(jī)流道風(fēng)量明顯降低，原因是熱風(fēng)回流被擋板隔斷，有利于電機(jī)的冷卻。

圖19為優(yōu)化后的發(fā)動(dòng)機(jī)表面速度分布。從圖中可以看出，箱體加擋板區(qū)域表面風(fēng)速分布略差，但箱體背部表面風(fēng)速分布變好。圖20為優(yōu)化后的變頻器表面速度分布。從圖中可以看出，變頻器表面速度都略有提升，有利于變頻器的散熱。圖21—23分別為油箱、化油器、點(diǎn)火器表面速度對(duì)比。從圖中可以看出，優(yōu)化后油箱、化油器、點(diǎn)火器的表面速度都明顯提升，有利于整機(jī)的散熱。

圖17 機(jī)組結(jié)構(gòu)改進(jìn)組合方案

圖18 冷卻風(fēng)道風(fēng)量分布對(duì)比（組合方案）

圖19 優(yōu)化后的發(fā)動(dòng)機(jī)表面風(fēng)速分布

圖22 化油器表面速度分布

圖23 點(diǎn)火器表面速度分布

圖24為優(yōu)化后的發(fā)電機(jī)組整機(jī)內(nèi)部速度流線圖。右進(jìn)風(fēng)口上移后，油箱、缸頭蓋、化油器等關(guān)鍵部件的散熱均有所兼顧，且可以中和腔體內(nèi)上升的熱氣流。左進(jìn)風(fēng)口下移后，油箱底部和側(cè)面以及點(diǎn)火器等關(guān)鍵部件的散熱同樣有所兼顧。發(fā)電機(jī)組總進(jìn)風(fēng)量增加，機(jī)組內(nèi)空氣流速快，有利于發(fā)電機(jī)組的冷卻，保障其高效正常地運(yùn)行。

圖24 優(yōu)化后發(fā)電機(jī)組內(nèi)部速度流線圖

4 結(jié)論

1）采用CFD 軟件STAR-CCM+對(duì)發(fā)電機(jī)組整機(jī)流場(chǎng)特性進(jìn)行了數(shù)值模擬分析及結(jié)構(gòu)優(yōu)化研究，從整機(jī)流場(chǎng)分布來(lái)看，原結(jié)構(gòu)風(fēng)扇進(jìn)風(fēng)量為40 g/s，進(jìn)風(fēng)量較小，不利于整機(jī)冷卻。發(fā)動(dòng)機(jī)熱風(fēng)回流導(dǎo)致電機(jī)進(jìn)風(fēng)量較大，熱風(fēng)循環(huán)可能會(huì)導(dǎo)致電機(jī)溫升大，不利于電機(jī)的冷卻。

2）通過(guò)單一變量控制方法研究發(fā)電機(jī)組風(fēng)量提升方案，得出改進(jìn)進(jìn)風(fēng)結(jié)構(gòu)、去掉出風(fēng)格柵（改出風(fēng)阻力）和添加出風(fēng)擋板對(duì)整機(jī)冷卻風(fēng)量都有提升，其中添加發(fā)動(dòng)機(jī)擋板方案不僅隔斷了熱風(fēng)回流且風(fēng)量提升最明顯。

3）依據(jù)單一變量控制方法研究結(jié)果，提出了調(diào)整進(jìn)風(fēng)口布置、增大消聲器護(hù)罩出口（減小出風(fēng)阻力）和增加隔熱擋板的組合改進(jìn)方案。改進(jìn)后整機(jī)風(fēng)量提升至75.79 g/s，總風(fēng)量提升明顯；熱風(fēng)回流被隔熱擋板充分隔斷，電機(jī)熱風(fēng)循環(huán)減少，對(duì)電機(jī)的冷卻有利；油箱、化油器、點(diǎn)火器的表面速度明顯提升。發(fā)電機(jī)組總進(jìn)風(fēng)量增加，機(jī)組內(nèi)空氣流速快，有利于發(fā)電機(jī)組的冷卻，可保障其高效正常地運(yùn)行。研究結(jié)果可為發(fā)電機(jī)組結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與改進(jìn)提供理論指導(dǎo)，從而快速鎖定散熱性能較優(yōu)的發(fā)電機(jī)組樣機(jī)模型。