某型電源車車艙通風(fēng)散熱性能優(yōu)化研究

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(nèi)空氣流場和溫度場進(jìn)行仿真計(jì)算，分析車艙的通風(fēng)散熱情況，發(fā)現(xiàn)了柴油發(fā)電機(jī)組和消聲器散熱存在的問題，并通過在機(jī)組艙后壁設(shè)計(jì)一個(gè)軸流風(fēng)機(jī)對散熱結(jié)構(gòu)進(jìn)行了改進(jìn)。針對改進(jìn)后的模型進(jìn)行通風(fēng)散熱仿真分析，發(fā)現(xiàn)柴油發(fā)電機(jī)組和消聲器表面溫度明顯下降。對車艙內(nèi)溫度進(jìn)行實(shí)測，將測試結(jié)果與仿真計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對比分析，結(jié)果表明，增加軸流風(fēng)機(jī)后車艙內(nèi)通風(fēng)散熱效果明顯改善。

關(guān)鍵詞：電源車；通風(fēng)散熱；流場；溫度場

中圖分類號：TJ819文獻(xiàn)標(biāo)文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A文獻(xiàn)標(biāo)DOI：10.3969/j.issn.2095-1469.2015.05.08

某型電源車是一種新型機(jī)動(dòng)柴油發(fā)電裝備，可為多種應(yīng)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(dòng)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(fēng)散熱之間的矛盾是一項(xiàng)重要工作。傳統(tǒng)的試驗(yàn)測試要在原型車制造出來后才能實(shí)施，這樣開發(fā)周期長、成本高，所以在電源車車艙設(shè)計(jì)過程中，進(jìn)行車艙的通風(fēng)散熱特性分析，找出通風(fēng)散熱中存在的問題及其原因，為車艙結(jié)構(gòu)定型和艙內(nèi)設(shè)備總布置提供依據(jù)，避免在開發(fā)的最后階段進(jìn)行過大的改動(dòng)[3]。因此，對電源車車艙內(nèi)空氣流場進(jìn)行數(shù)值模擬，進(jìn)而對車艙內(nèi)發(fā)電機(jī)組的散熱效果進(jìn)行分析是十分必要的。

國內(nèi)外專家和學(xué)者已對艙式結(jié)構(gòu)通風(fēng)散熱的相關(guān)課題做了一些研究。袁俠義等人[4]研究了汽車發(fā)動(dòng)機(jī)艙內(nèi)的流場和溫度場分布，發(fā)現(xiàn)通過增加導(dǎo)流板可以提高通風(fēng)散熱效果。肖紅林等人[5]針對不同布置方式下的動(dòng)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(dòng)機(jī)艙怠速工況下溫度過高的問題，對流場和溫度場進(jìn)行了仿真計(jì)算，提出添加阻風(fēng)板的方式來改善空氣流動(dòng)，提高散熱效果。宋思洪等人[7-9]研究了不同結(jié)構(gòu)的軍用通信電源機(jī)組艙內(nèi)空氣流場和溫度場分布情況，分析了散熱效果，對機(jī)組艙結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)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(jī)艙發(fā)動(dòng)機(jī)部件表面對流換熱系數(shù)、機(jī)艙空間流量系數(shù)進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)適當(dāng)增大發(fā)動(dòng)機(jī)艙后壁通風(fēng)柵格的面積或調(diào)整散熱器的位置可以提高發(fā)動(dòng)機(jī)艙通風(fēng)散熱效果。Jarrett 和Kim[11]提出了一種電動(dòng)汽車電池組溫度控制方法，通過設(shè)計(jì)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(jì)算流體動(dòng)力學(xué)（Computational Fluid Dynamics，CFD）方法研究了混合動(dòng)力電動(dòng)汽車電池組的散熱情況，發(fā)現(xiàn)通過改變氣流流動(dòng)可以改善通風(fēng)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(dòng)機(jī)艙、軍用通信電源發(fā)電機(jī)組艙以及電動(dòng)汽車電池組艙等方面，針對電源車車廂的通風(fēng)散熱所做的研究很少。本文主要以某型電源車車艙內(nèi)空氣流動(dòng)和熱環(huán)境為研究對象，綜合考慮其進(jìn)排氣口、機(jī)組各部件發(fā)熱對設(shè)備通風(fēng)散熱效果的影響。對車艙內(nèi)機(jī)組艙和消聲艙空氣流動(dòng)情況進(jìn)行了仿真計(jì)算，對車艙內(nèi)柴油發(fā)電機(jī)組和兩級排氣消聲器的散熱情況進(jìn)行了分析，并對機(jī)組艙后壁通風(fēng)結(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化，最后對計(jì)算所得的結(jié)果進(jìn)行了試驗(yàn)驗(yàn)證和對比分析。

2 計(jì)算結(jié)果及討論

2.1 假設(shè)

為了便于計(jì)算和分析，在對電源車車艙內(nèi)流場和溫度場進(jìn)行數(shù)值模擬時(shí)，作出以下假設(shè)：

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

（2）流場計(jì)算區(qū)域?yàn)殡娫窜噧?nèi)部的流體區(qū)域，可假設(shè)為遠(yuǎn)離壁面的流體區(qū)域內(nèi)空氣的流場和溫度場分布，所以不考慮設(shè)備壁面的厚度。

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

2.2 解析條件

車艙內(nèi)柴油發(fā)電機(jī)組以用一備一的方式工作，因此只需仿真模擬一臺機(jī)組工作時(shí)的情況，便可反映出整個(gè)車艙內(nèi)的空氣流場及溫度場分布情況。仿真計(jì)算的解析條件見表1。電源車進(jìn)風(fēng)口采用質(zhì)量入口邊界條件，流量包括柴油機(jī)燃燒和柴油發(fā)電機(jī)組冷卻所需的風(fēng)量；壁面邊界條件采用熱流量和溫度兩種邊界條件，柴油機(jī)、發(fā)電機(jī)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(jī)組熱流量采用多通道熱流計(jì)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(jī)進(jìn)氣口和車廂后壁的出風(fēng)口，根據(jù)實(shí)際的出口流量計(jì)算flow rate；軸流風(fēng)機(jī)和風(fēng)扇邊界條件根據(jù)實(shí)際參數(shù)進(jìn)行設(shè)置。

2.3 車艙內(nèi)流場及溫度場分布

仿真計(jì)算結(jié)果如圖2～ 4所示。

圖2為電源車內(nèi)空氣流場圖，圖3為空氣流動(dòng)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(nèi)空氣在越靠近柴油發(fā)電機(jī)組散熱器風(fēng)扇的位置運(yùn)動(dòng)越劇烈，速度也越快。由于散熱器風(fēng)扇的作用，空氣在處于工作狀態(tài)的柴油發(fā)電機(jī)組周圍分布較密，流速也較快，這將有利于提高發(fā)電機(jī)組以及散熱器的散熱效果。同時(shí)，可以觀察到空氣流經(jīng)設(shè)備連接處以及尺寸較小的部件周圍時(shí)速度較慢，并且在這些區(qū)域形成繞流。從空氣流動(dòng)軌跡圖可以看出，機(jī)組艙內(nèi)空氣流動(dòng)軌跡較有規(guī)律，當(dāng)氣流通過機(jī)組艙排氣口進(jìn)入消聲艙后，由于消聲艙內(nèi)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(gè)排氣口排出，而是在流動(dòng)過程中產(chǎn)生了繞流，有利于對通過散熱器排出的噪聲進(jìn)行有效控制，起到降噪的作用。

圖4為車艙內(nèi)柴油發(fā)電機(jī)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(jī)位于距離進(jìn)風(fēng)口比較近的位置，散熱效果好，溫度較低。相比之下，柴油機(jī)表面溫度略高于發(fā)電機(jī)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(dòng)的一側(cè)溫度較高，最高達(dá)到80 ℃以上；第二級排氣消聲器正對散熱器排氣口的一側(cè)溫度較低，背向排氣口的一側(cè)溫度稍高，大部分表面的溫度在75 ℃左右。其中，機(jī)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(dá)90 ℃。

通過上述計(jì)算與分析發(fā)現(xiàn)，車艙內(nèi)設(shè)備溫度較高，沒有達(dá)到電源車的設(shè)計(jì)要求，現(xiàn)有的通風(fēng)結(jié)構(gòu)不能完全滿足柴油發(fā)電機(jī)組和兩級消聲器的散熱要求，因此必須要對車艙的通風(fēng)散熱結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)。

2.3 結(jié)構(gòu)改進(jìn)后車艙內(nèi)流場及溫度場分析

綜合考慮原有的通風(fēng)散熱結(jié)構(gòu)和機(jī)組艙內(nèi)發(fā)電機(jī)組的布置位置，在機(jī)組艙后壁設(shè)計(jì)一臺軸流風(fēng)機(jī)進(jìn)行排風(fēng)，這樣機(jī)組艙前部下側(cè)為進(jìn)風(fēng)口，后部為散熱器排風(fēng)口和軸流風(fēng)機(jī)排風(fēng)口，工作時(shí)進(jìn)、排風(fēng)口可形成有效的空氣對流，起到更好的通風(fēng)散熱效果。軸流風(fēng)機(jī)技術(shù)參數(shù)見表2，機(jī)組艙后壁排風(fēng)口布置示意圖如圖5所示。

對改進(jìn)后的模型進(jìn)行仿真計(jì)算，得到車艙內(nèi)空氣流動(dòng)軌跡及增加軸流風(fēng)機(jī)前后車艙內(nèi)切面的速度矢量圖，如圖6和圖7所示。

由圖6可知，機(jī)組艙內(nèi)的空氣通過散熱器排氣口和軸流風(fēng)機(jī)口進(jìn)入消聲艙內(nèi)，在消聲艙內(nèi)繞消聲立柱和消聲器形成繞流，有利于艙內(nèi)散熱和降噪。同時(shí)軸流風(fēng)機(jī)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(jī)前、后車艙內(nèi)切面的速度矢量圖。圖7（a）中空氣從進(jìn)風(fēng)口進(jìn)入機(jī)組艙后，由于發(fā)電機(jī)的阻擋作用，一部分氣流沿發(fā)電機(jī)表面向上流動(dòng)，另一部分從發(fā)電機(jī)底部流動(dòng)，流動(dòng)過程中氣流加速，最快達(dá)到10 m/s左右。空氣流動(dòng)對發(fā)電機(jī)組冷卻后，當(dāng)靠近散熱器時(shí)，由于散熱器風(fēng)扇的抽吸作用，氣流加速運(yùn)動(dòng)，流經(jīng)散熱器風(fēng)扇進(jìn)入消聲艙，然而由于散熱器風(fēng)扇位置較低，不利于機(jī)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(fēng)機(jī)的原因，在散熱器風(fēng)扇和軸流風(fēng)機(jī)的共同作用下，進(jìn)入機(jī)組艙的空氣可以到達(dá)車艙的中部和上部，空氣流速在5～10 m/s之間，有利于機(jī)組和排氣消聲器的散熱。

圖8為柴油發(fā)電機(jī)組和機(jī)組消聲器溫度場分布圖。與圖4相比，圖8中增加軸流風(fēng)機(jī)后機(jī)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(fēng)機(jī)后消聲器溫度明顯低于無軸流風(fēng)機(jī)時(shí)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(jié)果表明，增加軸流風(fēng)機(jī)后通風(fēng)散熱結(jié)構(gòu)能夠使柴油發(fā)電機(jī)組及消聲器處于適宜的工作溫度。

3 試驗(yàn)驗(yàn)證

參照相關(guān)軍用標(biāo)準(zhǔn)和環(huán)境試驗(yàn)方法，對電源車車內(nèi)設(shè)備的散熱情況進(jìn)行測試，圖9為現(xiàn)場測試圖，布置9個(gè)測點(diǎn)，分別標(biāo)號1～9。測點(diǎn)1位于車艙內(nèi)兩臺機(jī)組中間，用來測試車艙內(nèi)氣流的溫度；測點(diǎn)2布置于發(fā)電機(jī)上方，測發(fā)電機(jī)的溫度；測點(diǎn)3、4、5測柴油機(jī)的溫度，其中測點(diǎn)3布置于氣缸蓋，4和5分別布置于柴油機(jī)的前后壁面上；測點(diǎn)6、7分別測試第一級排氣消聲器背風(fēng)側(cè)和迎風(fēng)側(cè)的溫度；測點(diǎn)8、9分別測第二級排氣消聲器迎風(fēng)側(cè)和背風(fēng)側(cè)的溫度。電源車在額定功率狀態(tài)下連續(xù)運(yùn)行1 h后進(jìn)行溫度測量，測量值和計(jì)算值對比見表3和表4。

對比分析表3和表4中的數(shù)據(jù)可以看出：在機(jī)組艙后壁增加軸流風(fēng)機(jī)后，車艙內(nèi)不同測點(diǎn)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(jìn)一步對計(jì)算值和測量值進(jìn)行比較，利用下面的公式來計(jì)算仿真計(jì)算的精度。

。

根據(jù)式（6），分別用E1、E2表示增加軸流風(fēng)機(jī)前、后的精度，計(jì)算得到E1=6.4%，E2=5.3%。對比結(jié)果表明：仿真計(jì)算精度較高，說明在仿真計(jì)算中采用的數(shù)學(xué)模型、結(jié)構(gòu)簡化方法以及網(wǎng)格劃分方法都是可行的。電源車通風(fēng)散熱結(jié)構(gòu)基本能夠滿足柴油發(fā)電機(jī)組和消聲器的散熱要求，然而由于設(shè)備的具體結(jié)構(gòu)以及各個(gè)壁面上傳遞的熱量很難準(zhǔn)確地運(yùn)用在計(jì)算中，不可避免地導(dǎo)致了誤差的產(chǎn)生。

4 結(jié)論

本文針對電源車車艙存在的通風(fēng)散熱問題，對電源車車艙內(nèi)空氣流場及溫度場進(jìn)行數(shù)值仿真與分析，提出通風(fēng)散熱結(jié)構(gòu)改進(jìn)方法，改善了通風(fēng)散熱效果，最后進(jìn)行了試驗(yàn)驗(yàn)證并與仿真計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對比分析，得到如下結(jié)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(nèi)的流場和溫度場，能量化地判斷出車艙內(nèi)最高溫度的位置，為電源車車艙結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)和車內(nèi)設(shè)備的布置提供有用的參考。

（2）車艙內(nèi)流場反映了空氣在車艙內(nèi)的分布及流動(dòng)情況，溫度場反映車艙內(nèi)設(shè)備的散熱情況。結(jié)合空氣流場和溫度場可以發(fā)現(xiàn)電源車散熱存在的問題，進(jìn)而通過在機(jī)組艙后壁設(shè)計(jì)一臺軸流風(fēng)機(jī)對通風(fēng)散熱結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)，以改善通風(fēng)散熱的效果。

（3）在機(jī)組艙后壁開設(shè)軸流風(fēng)機(jī)后，車艙內(nèi)柴油發(fā)電機(jī)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(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)得到的結(jié)果較吻合，說明選用的Realizable k-ε湍流模型可以較準(zhǔn)確地模擬電源車車艙內(nèi)的空氣流場，同時(shí)也說明計(jì)算中采用的模型簡化方法及解析條件的設(shè)置是合理的。

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