基于CFD仿真的大馬力平地機散熱性能分析與改進

閆鵬舉　張碩　劉立偉　李楠國　郄亞娜　邢夢龍

摘要：為解決大馬力平地機在施工時的系統過熱現象，結合國內某型大馬力平地機建立三維模型，將整機模型置于虛擬風洞內， 利用CFD對三維模型進行數值計算，尋找系統過熱的原因，實施相應改進，并確認改進的有效性。結果表明：冷卻液散熱器散熱面積過小、冷卻風扇風量不足、熱空氣回流至散熱器上側空氣入口是致使系統過熱的主要原因；增大散熱器高度可以增加散熱面積，增強散熱能力；增大冷卻風扇直徑可以提高冷卻風量；規劃動力艙空氣出口可以避免熱空氣回流；3個方案同時實施，可解決該型平地機系統過熱的問題。

關鍵詞：CFD；平地機；系統過熱；散熱性能

中圖分類號：U415.51文獻標志碼：B

Abstract： In order to solve the overheat problem of highpowered grader during construction， a 3D model for a certain type of domestic highpowered grader model was built and put into the wind tunnel. CFD was applied to conduct the calculation of the model， aiming to find out the causes of the overheat problem. Improvement was made and checked for the validity. It is found out that there are three causes， including small heat transfer area of the radiator， insufficient air volume flow generated by the cooling fan and hot air that flows back to the air entrance of the cabin. Increasing the radiator height would bring additional heat transfer area to enhance the capacity of heat exchange. Larger cooling fan could offer more air to the radiator， and appropriate air exit could avoid backflow of the hot air. The overheat problem could be worked out with the implementation of such improvements.

Key words： CFD； grader； system overheat； heat dissipation

0引言

平地機是一種被廣泛使用的土方機械，主要應用于礦山和路面施工建設、地面平整和挖溝、刮坡、推土、松土、除雪等作業所必須的工程機械。平地機一般以發動機輸出馬力數值區分所屬序列：260以上屬于大馬力；165～230屬于中等馬力；135以下屬于小馬力。近年來，大馬力平地機逐步被應用于路面施工，但由于連續工作時間長會出現發動機動力系統過熱的現象，導致發動機損壞、無法正常工作。究其原因，表面是冷卻系統工作性能不足，實際上，則是設計人員對產品散熱性能理解不夠充分。冷卻系統是由冷卻風扇與散熱器組成，通常使用選型設計法匹配，但應用該法往往會出現理論與實際性能差異較大現象。

為了解決該問題，國內外學者積極地展開研究，浙江大學的俞小莉教授對散熱器自身的幾何特征進行研究，以便降低其阻力特征，提升換熱性能[1]；吉林大學的秦四成教授將動力艙內視為多熱源集成系統，從熱量生成、傳導進行艙內散熱性能研究[2]；裝甲兵工程學院的畢小平教授通過降低風道阻力提升動力艙內的散熱器性能[3]；吉林大學的劉佳鑫利用虛擬風洞結合CFD的方式對車輛散熱器換熱性能進行了一系列研究[47]，這些研究均在一定程度上為動力艙內的散熱性能分析做出了貢獻。

綜上，本文結合國內某型300馬力平地機，使用CFD仿真的方法尋找并分析其散熱性能不足的原因，以此為基礎對大馬力平地機進行改進。

1仿真模型

1.1散熱器

從傳熱學角度分析，采用壓阻與換熱量表達散熱器自身性能[810]。本文采用效能傳熱單元數法（εNtu）進行性能計算

式中：ε為傳熱效能；e為自然對數；Ntu為傳熱單元數目；Cr為冷熱體兩者中相對最小和相對最大熱容比值，可簡化為熱容比；Qr為散熱器換熱量；Th為熱流體流入溫度；Cmin為冷熱流體中的最小熱容；Tc為空氣流入溫度；Cp1、Cp2分別為熱流體與空氣的定壓比熱容；m1、m2分別為熱流體與空氣的質量流量；△P為壓阻；ρ為空氣密度；Ac為通流面積；Kc為進口壓強損失系數；Ke為出口壓強損失系數；f為范甘寧摩擦因子；l為空氣流動長度；Dh為水力直徑。

1.2冷卻風扇

式中：Δp為風扇前后端的壓差；fn為多項式系數；v為與風扇出口空氣矢量大小；N為多項式數目。

1.3整車物理模型

本文分析樣機為國內某型300馬力平地機模型，具體見圖1，性能參數如表1所示。

參照分析樣機的圖紙，建立三維模型，盡量在不影響結果的前提下，剔除細節如連接螺栓等，對三維模型進行簡化，具體簡化模型如圖2所示。

2數值仿真

2.1網格劃分

散熱器等區域采用六面體網格，冷卻風扇、導風罩區域采用四面體網格，動力艙內空間采用2種網格。為了優化計算資源，控制網格數目，按比例因子放大，在動力艙網格基礎上，放大網格至整個風洞。劃分后網格總量約為7 851 392，無扭曲和負體積網格，網格模型如圖3所示。

2.2邊界設定

在預處理軟件中對已經劃分好的網格模型設定邊界，恒定邊界條件如表2所示，散熱器邊界條件如表3所示。在空氣密度為1109 kg·m-3，粘度設置為202×-5kg·（m·s）-1、導熱系數為0029 2 W·（m·℃）-1、定壓比熱容為1 00943 J·（kg·℃）-1下，設定工作環境為標準大氣壓，標準Ke湍流模型。

3結果分析

分析結果的縱向切片空氣狀態云圖見圖4，由圖4（a）溫度云圖可知，動力艙內的空氣溫度有2個較高的區域，分別位于隔板的兩側，按照車身方向分別稱為前部動力艙和后部動力艙。在前部動力艙中，消聲器附近的空氣溫度較高，為82.5 ℃～86.2 ℃，消聲器周圍溫度接近120 ℃，但是由于存在隔斷，這部分高溫空氣沒有對散熱器進口處的空氣產生較大影響。在后部動力艙中，散熱器空氣入口附近溫度為環境溫度45 ℃，但是后部上側空氣出口處出現了局部高溫，為82.5 ℃～86.2 ℃。同時，從圖中可以看到部分高溫空氣已經影響散熱器入口處的空氣溫度。散熱器內部的空氣溫度從左至右，呈梯度特征升高，在流程末端，出現了937 ℃～975 ℃的高溫區域。之所以出現這種現象是由于參與換熱的空氣流量不足，致使散熱器末端翅片壁面與空氣溫度差異較小，換熱效果降低。為了進一步尋找問題根源，單獨對散熱器做了風道試驗，試驗結果表明散熱器性能效率約為82.58%，但冷卻性能余量較小，無法保證動力艙內工作性能，需要更換。

由圖4（b）壓強云圖可知，冷卻風扇前端出現低壓，這是由于受風扇的機械作用，前段空氣減少。而散熱器前端低壓區域也較為明顯，這是由于冷卻風扇前段的低壓區域與大氣壓有差異，壓強呈梯度變化。

為了進一步了解后部上側空氣出口處的空氣溫度對散熱器空氣入口處空氣溫度的影響，在后處理中提取高溫空氣流動矢量圖，具體如圖5所示。由圖5可知，回流空氣最高溫度在80 ℃左右，受其影響，中冷器前端的空氣溫度升高，為53.7 ℃～55.5 ℃。這種現象對于散熱器的工作性能極為不利，間接降低了散熱系統性能。

在明確回流空氣的流向后，進一步明確回流熱空氣溫度數值范圍，將溫度范圍分別調整至45 ℃～80 ℃、70 ℃、60 ℃、50 ℃，如圖6所示。隨著范圍的縮小，可以看到，前部動力艙上側空氣出口處有少量的熱空氣回流，大部分的熱空氣從風扇后端回流，散熱器均在不同程度上受到影響。

對動力艙內的空氣狀態做橫向切片，如圖7所示，溫度與壓強云圖，分別見圖7（a）、圖7（b）。由圖7（a）可知，在后部動力艙2個側面的空氣出口處，沒有出現空氣回流。由圖7（b）可知，風扇和散熱器前段的梯度低壓區域較為明顯，但是受到上部空氣回流影響，散熱器前端低壓區域并不連續。

綜合以上的分析結果，可以進一步確定致使系統出現過熱的原因：散熱器的散熱面積過小，致使散熱器性能余量過小，無法滿足動力艙對散熱性能的要求；冷卻風扇直徑過小，導致所提供的風量不足；動力艙上部的熱空氣回流影響明顯，間接降低了散熱系統的工作性能。

4改進方案及結果對比

針對已經確定的3個原因，同時實施改進，具體內容如表4所示。

對改進后的模型進行CFD仿真，保持恒定邊界、散熱器邊界、空氣邊界不變，提取縱向切片空氣溫度云圖，具體見圖8。由圖8可知，前部動力艙空氣溫度變化不大，主要變化集中于后部動力艙，散熱器內部的空氣溫度降低，高溫區域減少，較為明顯之處在于動力艙上部空氣入口處回流熱空氣消失，同時散熱器末端大部分空氣溫度降低至83.9 ℃～87.5 ℃。

提取并對比散熱器中熱流體出口溫度，具體見表5。由表中數據可知，改進后的冷卻液出口溫度明顯降低，下降了127 ℃，中冷器、液壓油散熱器、變矩油散熱器中熱流體出口溫度分別下降了20.59 ℃、6.08 ℃、4.53 ℃，改進效果明顯，證明改進方案有效。

5結語

本文結合國內某型大馬力平地機，在虛擬風洞下利用CFD仿真對物理模型進行數值計算，結合計算結果，尋找致使系統過熱的原因，并通過增加散熱器高度、增大冷卻風扇直徑、規劃動力艙出口等方式實施系統改進。最終得到結論如下。

（1） 冷卻液散熱器散熱面積過小、冷卻風扇風量不足、熱空氣回流至散熱器入口是致使系統過熱的主要原因。

（2） 增大散熱器高度可以增加散熱面積，增強散熱能力；增大冷卻風扇直徑可以提高冷卻風量；規劃動力艙空氣出口可以避免熱空氣回流，3個方案同時實施可解決該型平地機系統過熱的問題。

（3） 通過CFD仿真的方式，可以快速獲取散熱系統性能特征，縮短樣機改進與試驗周期，有利于提升設計效率，拓展設計手段。

參考文獻：

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[責任編輯：高甜]