蘇紅春++袁春++王莉++金釗

摘 要：建立某型電源車車艙三維CFD模型，選取Realizable k-ε湍流模型，對電源車車艙內空氣流場和溫度場進行仿真計算，分析車艙的通風散熱情況，發(fā)現了柴油發(fā)電機組和消聲器散熱存在的問題，并通過在機組艙后壁設計一個軸流風機對散熱結構進行了改進。針對改進后的模型進行通風散熱仿真分析，發(fā)現柴油發(fā)電機組和消聲器表面溫度明顯下降。對車艙內溫度進行實測，將測試結果與仿真計算結果進行對比分析，結果表明，增加軸流風機后車艙內通風散熱效果明顯改善。

關鍵詞：電源車；通風散熱；流場；溫度場

中圖分類號：TJ819文獻標文獻標識碼：A文獻標DOI：10.3969/j.issn.2095-1469.2015.05.08

某型電源車是一種新型機動柴油發(fā)電裝備，可為多種應急供電用戶提供安靜的電力保障，是反恐維穩(wěn)和野外作業(yè)的主要電力保障手段，也是各種重大活動的備用電源[1-2]。在靜音型電源車開發(fā)過程中，研究解決車艙的噪聲控制與通風散熱之間的矛盾是一項重要工作。傳統(tǒng)的試驗測試要在原型車制造出來后才能實施，這樣開發(fā)周期長、成本高，所以在電源車車艙設計過程中，進行車艙的通風散熱特性分析，找出通風散熱中存在的問題及其原因，為車艙結構定型和艙內設備總布置提供依據，避免在開發(fā)的最后階段進行過大的改動[3]。因此，對電源車車艙內空氣流場進行數值模擬，進而對車艙內發(fā)電機組的散熱效果進行分析是十分必要的。

國內外專家和學者已對艙式結構通風散熱的相關課題做了一些研究。袁俠義等人[4]研究了汽車發(fā)動機艙內的流場和溫度場分布，發(fā)現通過增加導流板可以提高通風散熱效果。肖紅林等人[5]針對不同布置方式下的動力電池組，通過研究流場和溫度云圖，比較分析了不同的散熱特性。張坤等人[6]針對某型發(fā)動機艙怠速工況下溫度過高的問題，對流場和溫度場進行了仿真計算，提出添加阻風板的方式來改善空氣流動，提高散熱效果。宋思洪等人[7-9]研究了不同結構的軍用通信電源機組艙內空氣流場和溫度場分布情況，分析了散熱效果，對機組艙結構進行改進并提出了最佳方案。任承欽等人[10]對不同環(huán)境溫度和車速條件下的機艙發(fā)動機部件表面對流換熱系數、機艙空間流量系數進行了研究，發(fā)現適當增大發(fā)動機艙后壁通風柵格的面積或調整散熱器的位置可以提高發(fā)動機艙通風散熱效果。Jarrett 和Kim[11]提出了一種電動汽車電池組溫度控制方法，通過設計有凹槽的冷卻板，使熱量從電池組艙通過冷卻板傳出。D. Ghosh[12]和Sungjin Park [13]利用計算流體動力學（Computational Fluid Dynamics，CFD）方法研究了混合動力電動汽車電池組的散熱情況，發(fā)現通過改變氣流流動可以改善通風散熱效果。以上對于流場和散熱的分析主要集中在汽車發(fā)動機艙、軍用通信電源發(fā)電機組艙以及電動汽車電池組艙等方面，針對電源車車廂的通風散熱所做的研究很少。本文主要以某型電源車車艙內空氣流動和熱環(huán)境為研究對象，綜合考慮其進排氣口、機組各部件發(fā)熱對設備通風散熱效果的影響。對車艙內機組艙和消聲艙空氣流動情況進行了仿真計算，對車艙內柴油發(fā)電機組和兩級排氣消聲器的散熱情況進行了分析，并對機組艙后壁通風結構進行了優(yōu)化，最后對計算所得的結果進行了試驗驗證和對比分析。

2 計算結果及討論

2.1 假設

為了便于計算和分析，在對電源車車艙內流場和溫度場進行數值模擬時，作出以下假設：

（1）電源車車艙內柴油發(fā)電機組及其它設備均穩(wěn)定運行，空氣與各設備接觸面上的換熱轉化為純流體的傳熱與對流換熱，忽略設備壁面上的輻射傳熱[17]。

（2）流場計算區(qū)域為電源車內部的流體區(qū)域，可假設為遠離壁面的流體區(qū)域內空氣的流場和溫度場分布，所以不考慮設備壁面的厚度。

（3）車艙內空氣密度恒定不變，不隨溫度變化，故計算區(qū)域內空氣流動可認為是不可壓縮穩(wěn)態(tài)定常流動。

2.2 解析條件

車艙內柴油發(fā)電機組以用一備一的方式工作，因此只需仿真模擬一臺機組工作時的情況，便可反映出整個車艙內的空氣流場及溫度場分布情況。仿真計算的解析條件見表1。電源車進風口采用質量入口邊界條件，流量包括柴油機燃燒和柴油發(fā)電機組冷卻所需的風量；壁面邊界條件采用熱流量和溫度兩種邊界條件，柴油機、發(fā)電機和排氣管采用熱通量邊界條件，消聲器采用溫度邊界條件，柴油發(fā)電機組熱流量采用多通道熱流計測量得到，溫度采用溫度傳感器測量；出口邊界條件采用出流邊界條件，出口分別為油機進氣口和車廂后壁的出風口，根據實際的出口流量計算flow rate；軸流風機和風扇邊界條件根據實際參數進行設置。

2.3 車艙內流場及溫度場分布

仿真計算結果如圖2～ 4所示。

圖2為電源車內空氣流場圖，圖3為空氣流動軌跡圖，圖中不同顏色表示空氣的不同流速。從流場分布圖可以看出，車艙內空氣在越靠近柴油發(fā)電機組散熱器風扇的位置運動越劇烈，速度也越快。由于散熱器風扇的作用，空氣在處于工作狀態(tài)的柴油發(fā)電機組周圍分布較密，流速也較快，這將有利于提高發(fā)電機組以及散熱器的散熱效果。同時，可以觀察到空氣流經設備連接處以及尺寸較小的部件周圍時速度較慢，并且在這些區(qū)域形成繞流。從空氣流動軌跡圖可以看出，機組艙內空氣流動軌跡較有規(guī)律，當氣流通過機組艙排氣口進入消聲艙后，由于消聲艙內消聲立柱以及第二級排氣消聲器的存在，氣流不能直接通過消聲艙后壁的兩個排氣口排出，而是在流動過程中產生了繞流，有利于對通過散熱器排出的噪聲進行有效控制，起到降噪的作用。

圖4為車艙內柴油發(fā)電機組及兩級消聲器的溫度場分布圖。由溫度場分布可以看出，由于發(fā)電機位于距離進風口比較近的位置，散熱效果好，溫度較低。相比之下，柴油機表面溫度略高于發(fā)電機表面，溫度在45 ℃～60 ℃之間，局部最高溫度也低于65 ℃。第一級排氣消聲器表面大部分溫度在50 ℃～75 ℃之間，背向空氣流動的一側溫度較高，最高達到80 ℃以上；第二級排氣消聲器正對散熱器排氣口的一側溫度較低，背向排氣口的一側溫度稍高，大部分表面的溫度在75 ℃左右。其中，機組和排氣管連接處、排氣管和消聲器連接處散熱效果不好，溫度較高，最高達90 ℃。

通過上述計算與分析發(fā)現，車艙內設備溫度較高，沒有達到電源車的設計要求，現有的通風結構不能完全滿足柴油發(fā)電機組和兩級消聲器的散熱要求，因此必須要對車艙的通風散熱結構進行改進。

2.3 結構改進后車艙內流場及溫度場分析

綜合考慮原有的通風散熱結構和機組艙內發(fā)電機組的布置位置，在機組艙后壁設計一臺軸流風機進行排風，這樣機組艙前部下側為進風口，后部為散熱器排風口和軸流風機排風口，工作時進、排風口可形成有效的空氣對流，起到更好的通風散熱效果。軸流風機技術參數見表2，機組艙后壁排風口布置示意圖如圖5所示。

對改進后的模型進行仿真計算，得到車艙內空氣流動軌跡及增加軸流風機前后車艙內切面的速度矢量圖，如圖6和圖7所示。

由圖6可知，機組艙內的空氣通過散熱器排氣口和軸流風機口進入消聲艙內，在消聲艙內繞消聲立柱和消聲器形成繞流，有利于艙內散熱和降噪。同時軸流風機口排出的空氣靠近消聲器排氣管，提高了消聲器及其排氣管的散熱效果。

圖7（a）和（b）分別為增加軸流分機前、后車艙內切面的速度矢量圖。圖7（a）中空氣從進風口進入機組艙后，由于發(fā)電機的阻擋作用，一部分氣流沿發(fā)電機表面向上流動，另一部分從發(fā)電機底部流動，流動過程中氣流加速，最快達到10 m/s左右。空氣流動對發(fā)電機組冷卻后，當靠近散熱器時，由于散熱器風扇的抽吸作用，氣流加速運動，流經散熱器風扇進入消聲艙，然而由于散熱器風扇位置較低，不利于機組上部和第一級排氣消聲器的散熱。圖7（b）中由于增加軸流風機的原因，在散熱器風扇和軸流風機的共同作用下，進入機組艙的空氣可以到達車艙的中部和上部，空氣流速在5～10 m/s之間，有利于機組和排氣消聲器的散熱。

圖8為柴油發(fā)電機組和機組消聲器溫度場分布圖。與圖4相比，圖8中增加軸流風機后機組及兩級消聲器的溫度均有下降，其中兩級消聲器的溫度分布下降明顯。從圖8中看到，增加軸流風機后消聲器溫度明顯低于無軸流風機時消聲器溫度，且排氣管的溫度有大幅下降，局部溫度集中或過高的情況也得到了改善。仿真結果表明，增加軸流風機后通風散熱結構能夠使柴油發(fā)電機組及消聲器處于適宜的工作溫度。

3 試驗驗證

參照相關軍用標準和環(huán)境試驗方法，對電源車車內設備的散熱情況進行測試，圖9為現場測試圖，布置9個測點，分別標號1～9。測點1位于車艙內兩臺機組中間，用來測試車艙內氣流的溫度；測點2布置于發(fā)電機上方，測發(fā)電機的溫度；測點3、4、5測柴油機的溫度，其中測點3布置于氣缸蓋，4和5分別布置于柴油機的前后壁面上；測點6、7分別測試第一級排氣消聲器背風側和迎風側的溫度；測點8、9分別測第二級排氣消聲器迎風側和背風側的溫度。電源車在額定功率狀態(tài)下連續(xù)運行1 h后進行溫度測量，測量值和計算值對比見表3和表4。

對比分析表3和表4中的數據可以看出：在機組艙后壁增加軸流風機后，車艙內不同測點的溫度均有了一定程度的降低，特別是兩級排氣消聲器的溫度下降明顯，不同位置的表面溫度下降了約2～8 ℃。

為了進一步對計算值和測量值進行比較，利用下面的公式來計算仿真計算的精度。

。

根據式（6），分別用E1、E2表示增加軸流風機前、后的精度，計算得到E1=6.4%，E2=5.3%。對比結果表明：仿真計算精度較高，說明在仿真計算中采用的數學模型、結構簡化方法以及網格劃分方法都是可行的。電源車通風散熱結構基本能夠滿足柴油發(fā)電機組和消聲器的散熱要求，然而由于設備的具體結構以及各個壁面上傳遞的熱量很難準確地運用在計算中，不可避免地導致了誤差的產生。

4 結論

本文針對電源車車艙存在的通風散熱問題，對電源車車艙內空氣流場及溫度場進行數值仿真與分析，提出通風散熱結構改進方法，改善了通風散熱效果，最后進行了試驗驗證并與仿真計算結果進行對比分析，得到如下結論：

（1）利用CFD軟件成功完成了電源車車艙散熱的模擬。得到車艙內的流場和溫度場，能量化地判斷出車艙內最高溫度的位置，為電源車車艙結構的設計和車內設備的布置提供有用的參考。

（2）車艙內流場反映了空氣在車艙內的分布及流動情況，溫度場反映車艙內設備的散熱情況。結合空氣流場和溫度場可以發(fā)現電源車散熱存在的問題，進而通過在機組艙后壁設計一臺軸流風機對通風散熱結構進行改進，以改善通風散熱的效果。

（3）在機組艙后壁開設軸流風機后，車艙內柴油發(fā)電機組和兩級排氣消聲器的散熱效果有了明顯改善，不同位置的表面溫度下降了約2～8 ℃，特別是第二級排氣消聲器表面溫度有了較大幅度的下降。

（4）仿真計算結果與試驗得到的結果較吻合，說明選用的Realizable k-ε湍流模型可以較準確地模擬電源車車艙內的空氣流場，同時也說明計算中采用的模型簡化方法及解析條件的設置是合理的。

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