工程機械分離式冷卻系統流動傳熱數值仿真

傅佳宏，俞小莉，劉震濤，黃鈺期

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工程機械分離式冷卻系統流動傳熱數值仿真

傅佳宏，俞小莉，劉震濤，黃鈺期

(浙江大學能源工程學院，浙江杭州，310027)

采用計算流體力學(CFD)和數值傳熱學(NHT)方法對工程機械分離式冷卻系統進行數值仿真分析，利用三維實體風扇和熱交換器模型構建4種分離式冷卻系統模型，并進行流動傳熱和風扇匹配特性分析。研究結果表明：在相同熱交換器布置形式下，吸風式風扇方案功耗更低；在相同風扇形式下，熱交換器正交布置方案流動傳熱性能更優；最后，采用冷卻系統性能系數()以及匹配特性曲線對這4種分離式冷卻系統進行綜合性能分析，可知吸風式風扇、熱交換器正交布置方案最節能。

分離式冷卻系統；流動傳熱；數值仿真；熱交換器；風扇

在傳統工程機械中，冷卻系統與發動機都布置在同一艙中，冷卻風扇由發動機驅動，熱交換器均以串聯的方式布置在風扇軸線上。然而，隨著發動機功率密度的提高，增壓中冷等技術的應用使冷卻系統中熱交換器的數量、尺寸以及熱負荷不斷提高，風扇功耗不斷增加，但仍無法滿足日益增加的散熱需求。在這種情況下，傳統冷卻系統布置形式下多熱交換器的不斷疊加不僅造成熱交換器之間互相干擾，換熱效率低下，且使冷卻空氣側阻力急劇增加，增加了風扇直徑與功耗。另外，動力艙有限空間內各個部件的互相干擾也使流動組織更困難，不僅增加了風扇阻力[1?2]，還易造成熱風回流[3]，進一步降低冷卻系統效率，增加風扇功耗。近年來，分離式冷卻系統越來越多地應用于國外大型工程機械產品以及國內軍用特種車輛中，韓松等[4]也提出了類似設計，該新型冷卻系統把熱交換器、冷卻風扇、導風罩等分離形成相對獨立于動力艙的散熱艙，以減少流動干擾、增加熱交換器迎風面積。但目前對于分離式冷卻系統的研究工作還處于起步階段，較多的研究都集中在傳統串聯式散熱模塊上，呂鋒等[5?7]開展了間距、密封性及多風扇系統對車用散熱器模塊性能影響的風洞試驗研究；HALLQVIST[8]通過數值模擬研究了車輛動力艙內各個部件對散熱器模塊流動與傳熱的影響，而對于工程機械新型分離式冷卻系統的相關研究以及相應的設計計算分析的文獻報道較少。因此，本文作者通過計算流體力學(CFD)和數值傳熱學(NHT)方法建立不同結構形式的分離式冷卻系統計算模型，采用CFD和NHT方法進行數值仿真分析，研究其流動傳熱變化規律，比較不同分離式冷卻系統在工程應用中的優劣，為分離式冷卻系統的優化設計匹配提供參考。

1 冷卻系統數值仿真模型

1.1 熱交換器模型

熱交換器阻力特性采用多孔介質模擬，多孔介質參數主要通過試驗擬合得到或根據翅片的結構參數根據經驗公式計算得到，文中所用散熱器翅片為平直翅片，因此，采用以下試驗擬合式[9]進行計算：

式中：為熱交換器的摩擦因數；h為翅片高；為翅片厚度；d為沿流向翅片長度；c為翅片通道的水力直徑；為翅片通道雷諾數。

按照上述經驗公式計算各流速下的因子，推出散熱器壓力損失Δ與流速之間的關系，再根據改進型達西公式進行多項式擬合[10]，即

式中：為動力黏度，kg/(m?s)；u為流速，m/s；?1為黏性阻力系數，m?2；為流體密度；2為慣性阻力系數，m?2。?1和2即為多孔介質模型的主要參數。

熱交換器傳熱特性采用商用軟件Fluent的熱交換器模型[10]進行模擬，該方法采用六面體網格將熱交換器區域離散成×個子熱交換器單元，對每個熱交換器單元采用效能?傳熱單元數法進行一維熱平衡計算，從而得到整個熱交換器的溫度場分布與換熱量。熱交換器冷卻空氣側數據來自三維數值仿真，熱側流體數據來自熱交換器一維性能仿真，熱交換器區域與冷卻空氣側流體區域之間采用非正則網格進行數據傳遞與交換。

1.2 風扇模型及實驗驗證

采用MRF(Markov random field)算法進行風扇性能仿真，該方法在風扇流體區域建立多重參考坐標系，坐標系能夠隨著流體的旋轉而不斷重建。紊流模型采用RNG?模型。根據文獻[11?13]建立虛擬風洞，進行風扇性能數值模擬。其中，風洞直徑為1/2導風罩與風扇直徑之和，風扇入口段為4倍風洞直徑，出口段為6倍風洞直徑。

圖1所示為風扇網格，為了更好地模擬風扇的流動特性，在其幾何葉形處進行網格加密，風扇區域網格總數為372萬。

圖1 軸流風扇網格

圖2所示為風扇氣動性能實驗值與仿真值對比圖。由圖2可以看出：在風扇工作范圍內，實驗值與仿真值吻合較好，且趨勢一致，其最大相對誤差約為5%。分析其原因，在風扇數值仿真中，MRF模型是對風扇流場的穩態近似模擬，另外仿真模型考慮導風罩對于風扇的影響，因此，仿真值略低于實驗值。

1—實驗值；2—仿真值。

1.3 分離式冷卻系統模型

構建分離式冷卻系統數值仿真模型，研究在相同散熱艙體結構下，散熱器布置位置、風扇形式等對散熱器性能的影響，形成4種分離式冷卻系統方案，分別是散熱器平行布置吸風式風扇(A)，散熱器平行布置吹風式風扇(B)，散熱器正交布置吸風式風扇(C)以及散熱器正交布置吹風式風扇(D)。4種分離式冷卻系統配置方案如圖3所示。

(a) 方案A：散熱器對置布置吸風式風扇；(b) 方案B：散熱器對置布置吹風式風扇；(c) 方案C：散熱器正交布置吸風式風扇；(d) 方案D：散熱器正交布置吹風式風扇

設置統一數值仿真邊界條件，中冷器熱空氣側流量為0.36 kg/s，進口溫度為170 ℃；水散熱器液側流量為5 kg/s，進口溫度為85 ℃；冷卻空氣設置為理想不可壓縮氣體，空氣密度變化只與溫度有關，進口溫度為30 ℃，進出口表壓為0 Pa。

幾何模型采用Hypermesh進行網格劃分，采用Fluent商業軟件、基于壓力的耦合求解器進行控制方程的數值求解。在32CPU，64 G內存，2 T硬盤工作站上進行計算，冷態仿真模型約2 h收斂，熱態仿真約8 h收斂。

2 分離式冷卻系統仿真結果分析

2.1 風扇功耗分析

對風扇葉形進行受力分析，對風扇面網格上軸向主受力方向進行矢量疊加，得到風扇扭矩信息，根據以下公式得到風扇功耗與風扇功率系數(量綱一的量)，分別代表風扇功耗與風扇作功能力。

式中：為風扇轉速，r/min；為風扇扭矩，N·m；為風扇側面面積，m2；為風扇圓周速度，m/s。

圖4所示為風扇功耗曲線與風扇功率系數曲線。從圖4可以看出：方案C中風扇具有最高的作功能力與最低的風扇功耗。為了對比分析不同結構冷卻系統的具體流動狀態，取風扇轉速為1.8×103r/min時的流場和壓力計算結果進行分析，速度云圖和壓力云圖如圖5和圖6所示。從圖5和圖6可以看出：方案C中的艙體內流線最為均勻且沒有明顯的渦流，冷卻空氣通過熱交換器之后在艙體遠端進行交匯，熱交換器之間互相干擾相對較小。因此，風扇所處的流動狀態更好，風扇功耗更低，作功能力更強。

(a)風扇功耗曲線；(b)風扇功率系數曲線1—方案A；2—方案B；3—方案C；4—方案D。

(a) 方案A；(b) 方案B；(c) 方案C；(d) 方案D

(a) 方案A；(b) 方案B；(c) 方案C；(d) 方案D

2.2 分離式冷卻系統匹配分析

圖7所示為分離式冷卻系統匹配曲線。從圖7可以看出：對比吹風式方案與吸風式方案，吸風式方案A和方案C更合理，其系統阻力曲線更平順，風扇的運行更穩定，而吹風式方案B和方案D中存在工況突變點，分析其原因，吹風式方案中艙體內部冷卻空氣流動較為紊亂，而風扇運行狀態與艙體內冷卻空氣的流動狀態互相耦合，更穩定的冷卻空氣流動能保證風扇的運行狀態更為穩定，增加系統可靠性。

1—1 400 r/min；2—1 800 r/min；3—2 000 r/min；4—2 200 r/min；5—方案A；6—方案B；7—方案C；8—方案D。

從圖7還可知：在相同吸風式方案中，熱交換器之間的相對位置是風扇工作點改變的主要原因。在熱交換器正交布置的方案C中，風扇的工作點更理想，在相同的風扇轉速下，系統具有更小的流動阻力，更大的冷卻風量。

2.3 傳熱性能分析

從風扇功耗以及冷卻系統匹配分析中可以看出：吹風式風扇并不適用于分離式冷卻系統，因此，主要分析吸風式方案中熱交換器的傳熱性能。圖8所示為分離式冷卻系統換熱量曲線。

1—方案A，水散熱器；2—方案C，水散熱器；3—方案A，中冷器；4—方案C，中冷器。

從圖8可以看出：與流動分析結果一致，在冷卻風量更高的方案C中，熱交換器的傳熱能力也更強，與傳統串聯式散熱模塊不同，在分離式冷卻系統中，各熱交換器之間相對獨立，冷卻空氣同時從外界環境進入熱交換器，可忽略冷卻空氣通過某個熱交換器之后冷卻空氣溫升對另一個熱交換器傳熱性能的影響。

但是過大的分離式冷卻系統空間會造成空間布置方面的問題，因此，在今后的研究中，分離式散熱系統的空間結構優化也是重要課題，在控制散熱艙體積的前提下需要盡可能減小熱交換器之間的互相干擾。

2.4 綜合性能分析

為了使上述分離式冷卻系統的分析結果更具有普適性，綜合分析分離式冷卻系統中風扇功耗，風扇形式與熱交換器傳熱能力之間的關系，本文選取性能系數(量綱一的量)，即相同風扇轉速下系統總換熱量與風扇功耗的比(/)[14]作為分離式冷卻系統的綜合性能評價標準。評價結果如圖9所示。

1—方案A；2—方案B；3—方案C；4—方案D。

由圖9可知：與前述分析結果一致，采用吸風式風扇的分離式冷卻系統比吹風式方案的系統好，在采用相同吸風式方案的分離式冷卻系統中，熱交換器正交布置方案比熱交換器對置布置方案好。

當以性能系數(量綱一的量)作為評價指標時，可很好地反映系統性能的影響因素，在本文研究的分離式冷卻系統中風扇形式是影響性能的主要因素；在相同風扇形式下，則其傳熱性能主要受熱交換器之間相對位置的影響。

通過性能系數(量綱一的量)評價，本文得到結論，綜合考慮風扇形式，風扇功耗與散熱器傳熱能力，方案C，即采用吸風式風扇、熱交換器正交布置的分離式冷卻系統方案最為節能。但是該最優方案是在特定風扇，特定熱交換器的比較中得出的，其適用性有待進一步探索研究。

3 結論

1) 在4種分離式冷卻系統中，從風扇功耗角度分析，吹風式風扇作功能力較低，且風扇功耗較大，不宜采用吹風式風扇。

2) 在冷卻風扇與4種分離式冷卻系統的匹配分析中發現方案C中風扇與冷卻系統的匹配最好，此時系統阻力最小，冷卻風量最大。

3) 在4種分離式冷卻系統的傳熱性能中發現傳熱性能與流動性能具有一致性，分離式冷卻系統中熱交換器之間的流動傳熱干擾較小，因此冷卻空氣側流動性能較好的方案具有較好的傳熱能力。

4) 采用性能系數(量綱一的量)對4種分離式冷卻系統方案進行性能評價，評價結果能綜合反映各因素對于分離式冷卻系統性能的影響。方案C，即采用吸風式風扇，熱交換器正交布置的分離式冷卻系統方案為最節能方案。

5) 分離式冷卻系的最大優點是系統進出口都為大氣環境，沒有發動機、排氣管等額外部件的阻擋，相比傳統串聯結構散熱模塊，分離式冷卻系統熱交換器之間的互相干擾更小，換熱效率更高。

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(編輯 劉錦偉)

Numerical study of flow and heat transfer on construction machinery detached vehicular cooling system

FU Jiahong, YU Xiaoli, LIU Zhentao, HUANG Yuqi

(School of Energy Engineering, Zhejiang University, Hangzhou 310027, China)

Computational fluid dynamics (CFD) and numerical heat transfer (NHT) study of flow and heat transfer on construction machinery detached cooling system were presented. Four detached cooling system numerical models were created by three-dimensional entity fan and heat exchanger models, and the analyses of fluid flow and heat transfer as well as fan matching were carried out. The results show that with the same heat exchangers’ arrangement, the scheme with induced fan has a lower power consumption; with the same fan configuration, the scheme with orthogonal heat exchangers has a better thermal performance. Finally, the comprehensive performances of these 4 detached cooling systems were evaluated with the coefficient of performance (/) and the matching curves of cooling system, so the schemes with induced fan or orthogonal heat exchangers is the most energy saving one.

detached vehicular cooling system; flow and heat transfer; numerical simulation; heat exchanger; fan

10.11817/j.issn.1672-7207.2016.06.040

TK424.3

A

1672?7207(2016)06?2119?06

2015?06?21；

2015?08?03

國家自然科學基金資助項目(51206141)(Project(51206141) supported by the National Natural Science Foundation of China)

黃鈺期，副教授，從事車輛相關計算流體力學研究；E-mail：huangyuqi@zju.edu.cn