叉車水箱后方散熱優化數值仿真研究

李元松,劉 軍

（1.杭叉集團重裝車輛研究所，浙江 杭州311305；2.西北工業大學航空學院，陜西西安710072）

叉車的冷卻系統擔負著發動機的冷卻作用，冷卻效果的好壞直接關系到叉車能否正常工作和發動機的使用壽命。因此，對于經常出現溫度過高現象的叉車冷卻系統來說，其冷卻散熱系統的數值仿真分析及高效的散熱優化分析對整個叉車的合理設計和改進有著重要的意義。

袁俠義等[1]考慮了散熱器和高溫元件的散熱量以及空氣的對流傳熱和輻射等因素，建立了發動機艙模型。利用CFD軟件對汽車發動機艙流場進行了數值仿真，得到了發動機艙內部氣流的速度與溫度分布和重要元件的表面溫度等參數，最后對存在的問題提出改進方案。謝永奇等[2]為考查某型直升機附件艙的熱控制能力，采用有限元軟件分析了其在強制冷卻和自然冷卻情況下的溫度場分布。應用非結構化網格和有限體積法進行計算區域和控制方程的離散，采用標準k-ε模型封閉湍流控制方程。針對3種冷卻系統設計方案，分析了不同冷卻氣流進口尺寸、相對位置以及不同附件散熱量對附件艙溫度分布的影響，計算了自然冷卻情況下附件艙密閉時的溫度場。劉曉慶[3]以ATX機箱為研究對象，利用實驗和數值計算兩種手段對機箱的散熱情況進行了研究。在對Fluent軟件進行二次開發的基礎上，對機箱的風冷散熱過程進行了數值模擬，且對不同通風孔位置和風扇安裝情況下機箱的散熱性能進行了研究，找到了散熱的最佳風道結構。

本文基于水箱后方溫度場分析的有限元數值模型，優化叉車后部配重結構幾何布局，同時優化叉車內部阻礙熱流的催化器和消音器部件的位置，目的是提高叉車的散熱效果。

1 計算模型

對某型叉車冷卻散熱系統及后方的三維數模，包括車架后部、配重、散熱片等。進行有限元網格劃分，包括固體網格的劃分及流體網格的建立，如圖1所示，查找相關正式出版的參考文獻，得到相關材料及結構的熱力學性能參數及空氣與車架壁、空氣與散熱器之間的換熱系數。建立冷卻散熱系統后方溫度場分析的有限元數值模型，計算并求解，得到冷卻散熱系統后方的熱場分布，如圖2所示。

圖1 計算模型切面顯示

圖2 配重后方空氣溫度分布流線圖

計算得到配重孔表面左中右三塊的溫度分布，于是，得到配重孔外表面的實驗溫度和計算溫度分布。表1給出了計算溫度與實測溫度的值，實驗溫度測量總和為105.7℃，計算溫度總和為90.8℃，二者相對誤差為14.1%，在項目要求的誤差15%以內。

表1 目標面實驗溫度和計算溫度分布

2 優化方案及結果

叉車散熱可將水箱中的熱量向外散出，保證車體內部的溫度不至于過高。針對之前基于熱流耦合計算分析得到的叉車溫度場及流場特性，本章節對叉車部分構型進行優化設計，使得車體的散熱效果更佳。由于車體結構的復雜性，進行大的優化改動是不現實的，結合實際情況，本文將優化的重點放在配重孔外形以及尾氣管道的位置改變上。

2.1 優化方案一：配重孔形狀優化

配重的出風口外形的改變會對整體的散熱效果產生影響。由于設計的限制以及車體自身特性的影響，大幅度的改變出風口的形狀是不現實的，所以只能采取稍微的改動，使得其散熱效果有所改善。顯然，出風口的面積越大，則總的質量流量會增多，這樣同一時間車體內部流出的熱量增多，從而可以提升散熱效果。本著這一原則，在盡量不影響車體的情況下，對出風口的形狀做出改動，使得通風面積增大。具體的方法即將出風口下部進行切削，分別向下切5 mm以及10 mm。如圖3所示。

圖3 配重孔向下切削5 mm和10 mm的后孔的形狀

設置同樣的計算條件，對配重孔向下切削一定長度后的兩種配重孔構型的溫度場以及流場進行熱流耦合計算，并與優化之前的原始結構的計算結果進行對比。選擇配重出風口處的三處截面作為目標面，計算其平均溫度，兩種情況的計算結果如圖4和圖5所示，圖4為配重孔向下切5 mm的流場溫度分布及目標面左中右三部分溫度分布，圖5為配重孔向下切10 mm的流場溫度分布及目標面左中右三部分溫度分布。

圖4 配重孔向下切削5 mm的流場溫度分布及目標面左中右三部分溫度分布

圖5 配重孔向下切削10 mm的流場溫度分布及目標面左中右三部分溫度分布

采取相同的計算條件進行計算，得到的出風口處的三處截面的平均溫度如表2所示。可以看出，出風口面積的增大對于散熱是十分有利的。其主要效果在于增大了排出的熱流流量，使得同一時間排出的熱能量增多。

表2 配重構型優化后的計算結果

2.2 優化方案二：消聲器管道位置優化

消聲器管道位于散熱器的后方，由于其本身具有較高溫度，因此散熱器的氣流也可以將其熱量向配重出風口吹出，從而降低車體內的溫度。但是從前面的分析可以看出，因為消聲器管道的阻擋作用，使得散熱器的氣流吹出時會受到影響，因此希望在不改變消聲器管道基本結構的基礎上，利用車體內部的空間，將其位置做小的調整來分析其對整車散熱性能的影響。優化調整的方式是將消聲器管道位置向下和向后同時稍微移動，以保證正對出風口氣流的流暢性。消聲器管道原始位置以及兩次調整后的管道位置如圖6所示。

圖6 消聲器管道原始位置以及兩次優化調整后的管道位置

對消聲器原始位置及兩次位置優化調整的配重后方的溫度場以及流場進行計算。同樣，選擇配重出風口處的三處截面，計算其平均溫度，三種情況的計算結果如圖7和圖8所示，圖7為消聲器管道位置第一次優化調整后流場溫度分布目標面左中右溫度分布，圖8為消聲器管道位置第二次優化調整后流場溫度分布目標面左中右溫度分布。

圖7 消聲器管道位置第一次優化調整后流場溫度分布目標面左中右溫度分布

圖8 消聲器管道位置第二次優化調整后流場溫度分布目標面左中右溫度分布

在同樣的計算條件下對消聲器位置兩次優化調整的配重后方的流場溫度分布進行計算，并與消聲器原始位置計算結果進行對比，選擇配重出風口處的三處截面作為目標面，計算其平均溫度，將三種消聲器三種不同位置的計算結果進行比較，如表3所示。

表3 消聲器管道位置優化調整后溫度場計算結果

可以看出，三種情形的總溫度呈現減小的趨勢，說明了調整后的兩種情形的散熱特性稍微變差。究其原因，盡管管道后部向下向后移動，可以使得正對出風口的氣流流暢性增大，但是向下移動后，對散熱器的性能產生了不利的作用。

3 結束語

本文針對某型叉車水箱后方的三維數模進行了合理簡化，進行流體網格劃分，設置常見的邊界條件及求解參數，最后得到叉車后方的熱場分布。并將計算結果與試驗結果進行了對比，二者吻合較好，表明本文計算模型的合理性。

冷卻系統后方的配重出風口是車體最重要的熱流流出通道，因而對其進行切削優化后，出風口的面積稍微增大，熱流量增大，散熱效果變好。所以，建議后續的冷卻系統散熱設計需要考慮配重孔形狀及大小的修改。

對消聲器和催化器管道位置的優化調整散熱仿真結果表明，消聲器與催化器的位置改變使配重后方流場溫度總體升高。分析其原因，認為雖然經過消聲器和催化器的位置調整，使得散熱器某部分的流動阻礙減小，但是其它部分的較高溫度的熱流流動卻受到影響，因而其散熱變差。

[1]袁俠義，谷正氣，楊 易.汽車發動機艙散熱的數值仿真分析[J].汽車工程，2009（9）：843-848.

[2]謝永奇，余建祖，王先煒.直升機附件艙溫度場數值模擬[J].航空動力學報，2008（4）：629-634.

[3]劉曉慶.臺式電腦機箱散熱的數值模擬及優化[D].南京：南京理工大學，2012.