薛建奇，劉佳鑫,2，王寶中，徐少彬，王鑫閣，龍海洋

(1.華北理工大學(xué) 機械工程學(xué)院，河北 唐山 063210； 2.華中科技大學(xué) 能源與動力學(xué)院，湖北 武漢 430074)

0 引言

工程車輛散熱系統(tǒng)是整車重要的組成部分，散熱系統(tǒng)性能的高低直接影響著車輛發(fā)動機的溫度與工作性能，同時，散熱系統(tǒng)對工程車輛工作的動力性與燃油經(jīng)濟性起著至關(guān)重要的作用。工程車輛散熱系統(tǒng)傳統(tǒng)的測試、評價與改進(jìn)是通過試驗的方法，雖然試驗數(shù)據(jù)更準(zhǔn)確更真實，但是試驗周期長、成本高且試驗過程中的影響因素多，因此目前人們常采用虛擬仿真的方法對其進(jìn)行研究。吉林大學(xué)劉佳鑫[1-4]對虛擬風(fēng)洞下車輛散熱器模塊的傳熱性能進(jìn)行了數(shù)值仿真研究，通過試驗值與仿真值的對比，發(fā)現(xiàn)仿真誤差在可接受范圍內(nèi)，證明了仿真的正確性。吉林大學(xué)李宇[5]研究了工程機械雙流程散熱器散熱特性，分析了翅片間距形狀等對散熱器性能的影響，得出了相應(yīng)的規(guī)律與對比圖。鄭淑萍、劉春蕾[6]對工程車輛動力艙進(jìn)風(fēng)道的設(shè)計與優(yōu)化進(jìn)行研究，通過研究分析發(fā)現(xiàn)風(fēng)扇與散熱器組成的散熱模塊附近風(fēng)速對散熱系統(tǒng)有一定的影響，同時利用CFD數(shù)值分析可以有效地指導(dǎo)進(jìn)風(fēng)通道的設(shè)計。

本文對工程車輛建立三維模型，應(yīng)用CFD數(shù)值仿真方法對工程車輛進(jìn)行仿真，通過仿真發(fā)現(xiàn)散熱器熱流體出口溫度較高，需要對其進(jìn)行改進(jìn)；針對散熱器散熱性能的問題進(jìn)行改進(jìn)；然后對改進(jìn)前后散熱器熱流體出口溫度的仿真結(jié)果進(jìn)行了對比，證明了改進(jìn)的有效性。

1 幾何模型

為了更真實地模擬工程車輛散熱系統(tǒng)的工作狀態(tài)，按照工程車輛的實際尺寸，應(yīng)用SolidWorks三維軟件對其進(jìn)行幾何模型的建立，動力艙內(nèi)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，對其零部件和管道等不重要部件進(jìn)行適當(dāng)?shù)膭h減，由于輪胎劃分網(wǎng)格時困難，并且對結(jié)果影響不大，對其進(jìn)行簡化處理，整車三維模型如圖1所示。

2 網(wǎng)格劃分與邊界條件設(shè)定

2.1 網(wǎng)格劃分

利用Gambit前處理軟件對整車三維模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，因為工程車輛動力艙內(nèi)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，所以劃分網(wǎng)格時采用四面體與六面體結(jié)合的方式進(jìn)行劃分，整體網(wǎng)格切片圖如圖2所示。

圖1 整車三維模型

圖2 整體網(wǎng)格切片圖

2.2 邊界條件設(shè)定

將模型中的配重鐵、底盤、駕駛室和空氣濾清器等與空氣接觸的表面設(shè)置為wall，風(fēng)扇應(yīng)用MRF模型，重力加速度為9.8 m/s2，模型其他邊界條件的設(shè)定具體如表1所示。

表1 模型邊界條件設(shè)定

散熱器熱流體流量與入口溫度具體設(shè)置情況如表2所示。

表2 散熱器邊界條件設(shè)定

3 改進(jìn)前后仿真結(jié)果分析

3.1 改進(jìn)前仿真結(jié)果分析

CFD數(shù)值仿真結(jié)果如圖3～圖5所示。由圖3可以看出，動力艙內(nèi)溫度分布在75.2 ℃～80.7 ℃之間，在動力艙內(nèi)散熱器組中部對應(yīng)位置處，由于在風(fēng)扇輪轂處風(fēng)扇旋轉(zhuǎn)作用較小產(chǎn)生的風(fēng)速較小，因此在輪轂對應(yīng)的散熱器處溫度較高，為97.2 ℃；在散熱器組下部溫度較高，為86.2 ℃～89.0 ℃。

如圖4所示,在散熱器組位置溫度在96.5 ℃～105 ℃，隨著散熱器熱流體出口流量經(jīng)過風(fēng)扇后溫度都有所降低。

如圖5所示，在散熱器組中部速度最低，導(dǎo)致這種現(xiàn)象的原因是由于風(fēng)扇輪轂的作用，在風(fēng)扇扇葉區(qū)域風(fēng)速較大，最大風(fēng)速達(dá)到71.2 m/s。

3.2 改進(jìn)后仿真結(jié)果分析

結(jié)合仿真結(jié)果與分析，對模型進(jìn)行如下改進(jìn)：①在動力艙下部增加進(jìn)氣口；②將風(fēng)扇的轉(zhuǎn)速提高為1 800 r/min。改進(jìn)后的仿真結(jié)果如圖6～圖8所示。

改進(jìn)后動力艙內(nèi)溫度具體分布情況如圖6所示，可以看出動力艙內(nèi)溫度降低到69.3 ℃～72.3 ℃之間，在風(fēng)扇輪轂處高溫區(qū)域數(shù)值都明顯降低，最高處溫度較低，為87.5 ℃，在動力艙內(nèi)散熱器組下部對應(yīng)位置溫度降低到84.5 ℃～87.5 ℃。說明改進(jìn)后動力艙內(nèi)溫度得到改善。

圖3動力艙內(nèi)溫度分布云圖圖4散熱器溫度分布云圖圖5散熱器出口速度分布云圖

改進(jìn)后散熱器組由于動力艙下部增加進(jìn)氣口，使進(jìn)氣量分布更均勻，在散熱器組中部溫度降低到80.1 ℃～84.3 ℃，熱流體出口溫度較改進(jìn)前也有所降低，散熱器組溫度分布情況如圖7所示。

散熱器出口速度分布情況如圖8所示，觀察改進(jìn)后的仿真結(jié)果，發(fā)現(xiàn)由于風(fēng)扇轉(zhuǎn)速的增加，在散熱器組出口處最大速度達(dá)到94.6 m/s，改進(jìn)后散熱器熱流體出口溫度也有所降低。

圖6改進(jìn)后動力艙內(nèi)溫度分布云圖圖7改進(jìn)后散熱器溫度分布云圖圖8改進(jìn)后散熱器出口速度分布云圖

4 改進(jìn)前后對比

利用CFD數(shù)值仿真，比較改進(jìn)前、后散熱器熱流體出口溫度，具體數(shù)值如表3所示。

表3 散熱器熱流體出口溫度對比

通過改進(jìn)前、后熱流體出口仿真結(jié)果的對比，可以看出模型的改進(jìn)對散熱器出口熱流體的溫度降低起到了一定的作用，冷卻液溫度降低幅度較大，降低幅度達(dá)到6.67%，液壓油溫度降低幅度為2.99%。

5 結(jié)論

利用CFD數(shù)值分析的方法對工程車輛散熱系統(tǒng)進(jìn)行模擬仿真，得出各散熱器熱流體出口溫度，結(jié)合工程車輛動力艙內(nèi)溫度分布云圖，對模型進(jìn)行改進(jìn)以達(dá)到提高散熱器散熱性能的目的，改進(jìn)后動力艙內(nèi)部溫度得到改善，熱流體出口溫度也隨著進(jìn)氣口的增加和風(fēng)扇轉(zhuǎn)速的增大有所降低，其中冷卻液溫度降低幅度最大達(dá)6.67%，液壓油溫度降低幅度較小為2.99%，通過改進(jìn)使散熱器性能提高，為今后的工程車輛散熱系統(tǒng)的研究提供了一定的參考。

參考文獻(xiàn)：

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[5] 李宇.工程機械雙流程散熱器散熱特性分析[D].長春：吉林大學(xué),2016:52-57.

[6] 鄭淑萍,劉春蕾.工程車輛動力艙進(jìn)風(fēng)道的設(shè)計與優(yōu)化[J].工程機械,2016,47(8):31-36.