葉雙平， 鄒 波， 韋 蘊， 劉遵飛， 李登波

(重慶鐵馬工業(yè)集團有限公司，重慶 400050)

動力艙空氣流動與散熱性能的好壞直接關系到車輛的性能與壽命，甚至會直接影響車輛能否正常行駛[1-2].裝甲車輛冷卻空氣流場一般有兩種：一種是有特定流道的冷卻空氣流場，冷卻空氣只通過散熱器、冷卻風道和風扇，優(yōu)點是結構緊湊，流動阻力損失??；另一種是無特定流道，冷卻空氣流經(jīng)動力艙再由風扇排出，優(yōu)點是冷卻空氣可以帶走動力艙的熱量，但由于動力艙結構復雜，零部件與管路較多，造成空氣流道不規(guī)則，空氣流動阻力會增大，流動損失增加.

動力艙內(nèi)結構較為復雜，只利用試驗測試的手段了解其內(nèi)部各處冷卻空氣流動情況較為困難，于是CFD數(shù)值模擬的方法被廣泛地應用在民用車輛動力艙內(nèi)空氣流場研究中[3-7].

1 建立模型

動力艙內(nèi)部件排布緊密，結構較復雜，為了能夠得到比較準確的仿真結果，仿真所用模型比例為1∶1的全尺寸三維模型，且模型盡量保留發(fā)動機艙內(nèi)的所有關鍵部件，車身也盡量保持真實的結構特征.同時為簡化計算，適當省去電子線束、空調(diào)管路等對流動影響較小的細小部件.動力艙內(nèi)外部幾何模型見圖1和見圖2，冷卻模塊布置在進氣格柵后端，動力艙內(nèi)部模型包括車體、進氣格柵、冷卻模塊、排氣管、發(fā)動機、變速箱、分動器、水箱、空濾等影響動力艙空氣流動的主要部件.

圖1 動力艙內(nèi)部幾何模型

圖2 動力艙外部幾何模型

圖3 動力艙內(nèi)部體網(wǎng)格

本次分析的重點是動力艙內(nèi)部，整個模型進行幾何處理時，在進氣格柵、各個出氣口等關鍵部位做了細化處理，對車體外部、后部等對動力艙散熱影響小的位置做了簡化處理.在畫體網(wǎng)格時考慮到計算精度和計算時間，調(diào)整網(wǎng)格疏密密度，對整個動力艙進行體網(wǎng)格加密.

2 邊界條件設定

本次仿真分析模擬的工況是低速大扭矩，此時發(fā)動機的發(fā)熱量較大，行駛速度較低，動力艙內(nèi)部散熱較差.入口速度用40 km/h，對散熱器和冷凝器采用多孔介質(zhì)進行處理，其慣性阻尼系數(shù)和粘性阻力系數(shù)通過試驗數(shù)據(jù)擬合得到；風扇采用MRF方法，轉(zhuǎn)速采用該工況下的風扇轉(zhuǎn)速.溫度計算時采用55 ℃的環(huán)境溫度，在發(fā)動機本體和排氣管表面設置溫度邊界條件，其他零部件表面設定為絕熱邊界條件.

表1 邊界條件設定

3 仿真結果分析

3.1 原方案流場仿真結果

圖4是Y截面速度矢量圖，可以看出冷卻空氣從進氣格柵進入到動力艙，經(jīng)冷凝器和散熱器加熱，風扇加速后，流向發(fā)動機，其中一部分流向缸蓋，另一部分流向油底殼.流向油底殼的熱空氣遇到底甲板的阻擋，在油底殼與底甲板之間產(chǎn)生兩個大渦，并且有部分熱空氣從散熱器與進氣格柵底部之間的間隙回流到散熱器前端，再次經(jīng)過散熱器，這樣造成循環(huán)加熱，對動力艙散熱不利.從圖5Z截面速度矢量圖也可以看出在散熱器與車體側(cè)面間有氣流回流.從截面溫度分布圖可以知道進氣格柵前有高溫空氣，說明有氣流回流現(xiàn)象，結合圖8進氣格柵溫度分布圖可知主要存在三處回流現(xiàn)象.

圖4 Y=0 mm動力艙內(nèi)速度矢量圖

圖5 Z=1000 mm動力艙內(nèi)速度矢量圖

圖6 Y=0 mm動力艙內(nèi)溫度場分布圖

圖7 Z=1000 mm動力艙內(nèi)溫度場分布圖

圖8 進氣格柵溫度分布圖

3.2 改進方案流場仿真結果

針對原方案熱管理仿真中出現(xiàn)的問題，提出優(yōu)化改進方案，經(jīng)過以上分析可知在散熱器與車體間隙處存在回流現(xiàn)象，因此新方案在散熱器與車體間增加擋板，阻擋熱氣流回流.

從圖9Z截面速度矢量圖可以看出，由于在車體與散熱器間增加了擋板，經(jīng)散熱器加熱后的熱空氣大部分沒有回流到散熱器前端，結合圖10和圖11截面溫度場分布圖可以看到，散熱器前端進氣基本是冷空氣，原方案動力艙大部分區(qū)域溫度為96 ℃，改進后大部分區(qū)域溫度為85 ℃，比原方案降低了11 ℃，改進后散熱效果明顯提高.比較圖8和圖12進氣格柵溫度分布，也可以高溫區(qū)域明顯減小.

圖9 改進方案Z=1000 mm動力艙內(nèi)速度矢量圖

圖10 改進方案Y=0 mm動力艙內(nèi)溫度場分布圖

圖11 改進方案Z=1000 mm動力艙內(nèi)溫度場分布圖

圖12 改進方案進氣格柵溫度分布圖

4 結論

1)分析改進方案的截面速度矢量場和溫度場分析可知，進氣格柵和冷卻模塊局部仍存在少量氣流回流，但改進后與原方案對比，散熱器周圍熱氣流回流現(xiàn)象明顯改善，動力艙內(nèi)部溫度下降了約11 ℃.

2)為了提高發(fā)動機艙的散熱性能，本文在一種典型工況下對某裝甲車動力艙內(nèi)流場進行了三維CFD仿真模擬，分析了動力艙內(nèi)的氣體流動和熱環(huán)境情況，對動力艙內(nèi)存在的熱回流問題進行了優(yōu)化，得出在散熱器周圍增加擋板，可有效阻止熱空氣回流，提高散熱器的散熱性，改善發(fā)動機艙熱環(huán)境的結論.

3)采用CFD仿真分析方法，能夠有效優(yōu)化發(fā)動機艙內(nèi)氣流分布，改進機艙內(nèi)溫場分布，防止零部件溫度過高.