基于STAR-CCM+的發電機組流場對比分析及結構優化

譚禮斌，袁越錦，黃 燦，余千英，劉小強

(1.陜西科技大學機電工程學院， 陜西 西安 710021；2.隆鑫通用動力股份有限公司技術中心基礎研究所， 重慶 400039)

隨著我國經濟的迅速發展，發電機組面臨急速需求、快速擴張的戰略轉型。發電機組在大型商場、學校、醫院等公共場所得到廣泛使用。通用發電機組的主要組成部件包括發動機、磁電機、消聲器、空濾器、起動器、散熱器、罩體部件、機架及裝飾件等，其中冷卻風扇、散熱器用于發電機組的冷卻[1]。發電機組通常分為常規型和靜音型，靜音型發電機組最重要的一個設計挑戰是如何合理設計發電機組消音部件以滿足氣動聲學和機組散熱，確保發電機組正常運行。隨著計算機技術的迅速發展，基于虛擬仿真的集成化分析平臺，對工業領域產品進行虛擬設計與開發，已經逐漸成為行業的趨勢[2-3]。陳國平等[4]利用計算流體力學(CFD)方法，對運行狀況下靜音發電機組的流速、壓力場分布進行了仿真分析，為靜音部件的結構優化設計提供參考；戚中浩等[5]采用商業流體分析軟件NUMECA對2 MW風力發電機組機艙外流場進行了特性分析，研究了空氣進出口位置對測量設備測試精度的影響；李忠剛[6]和尹貽明[7]采用Fluent軟件對超臨界汽輪發電機組密封系統的內流場進行了模擬分析，為機組的正常運轉提供分析支撐。采用計算流體力學方法，對發電機組整機流場特性進行分析，可迅速獲得整機流場分布性能，預測機組冷卻風的流場分布情況，評估機組冷卻風分布情況，有利于提升機組在運行過程中的散熱性能，提高其使用壽命。目前常用的商業流體分析軟件有ANSYS CFD(Fluent&CFX)、NUMECA、STAR-CCM+、COMSOL等。STAR-CCM+具有較高的集成度，是真正的幾何處理、網格劃分、求解器、后處理完全一體化環境的軟件，且自帶多面體網格技術，可直接生成高質量多面體。多面體在促進計算收斂及求解精度方面都有較好的優勢。STAR-CCM+在汽車整車、發動機、電機等領域得到了廣泛應用[8-10]。

本文以康明斯6C柴油發電機組(機組型號S688CCS)為研究對象，采用STAR-CCM+分析軟件對該發電機組常規型和靜音型的整機流場進行分析，對比研究該發電機組2種型號的流場差異，從而依據流場差異對比分析結果，對靜音型發電機組的流場分布特性進行優化，以提升靜音型機組的散熱性能。本文的研究結果可為發電機組冷卻風道的設計提供相應的參考。

1 物理模型

康明斯6C柴油發電機組常規型和靜音型2種規格(簡稱為常規型機組和靜音型機組)的三維模型是采用Unigraphics NX 8.0依據實物按照1:1比例(Siemens PLM Software Company，Germany)建模獲得，如圖1和2所示。圖1為常規型發電機組，圖2為靜音型發電機組。2種型號的機組尺寸大小基本一致，機組長5 m，寬2 m，高2.5 m，整機質量約7 000 kg，機組功率500 kW。圖1、2中各風道示意圖可用于仿真計算中各風道截面的截取及風量提取，查看各個風道冷卻風量的大小。康明斯6C柴油發電機組常規型和靜音型使用的發動機(型號為KTAA19-G6A)、電機(型號為HCI544FS)、冷卻水箱、散熱器等零部件結構和型號完全相同。在結構上存在的差異主要是進風口的設置和進、出口消音材料。該發電機組靜音型(靜音型機組)為了達到更好的靜音效果，在其常規型上增添了相應的超靜音吸聲材料，確保靜音型機組的靜音效果比其常規型效果好。本文采用STAR-CCM+ 11.06(Siemens PLM Software Company，Germany)軟件中自帶的多面體網格類型和邊界層網格類型對該發電機組2種類型進行網格劃分，獲得圖3所示的網格簡圖，機組總體網格約為2 000萬。圖4為發電機組散熱器截面和電機通道截面示意圖，用于冷卻通道風量的提取及統計。

圖1 常規型發電機組

圖2 靜音型發電機組

圖3 發電機組網格示意圖

圖4 發電機組散熱器截面和電機通道截面

2 數學模型

選用STAR-CCM+提供的Realizablek-ε湍流模型進行流場特性分析。不考慮溫度場的流體流動過程，模擬需要求解流體連續性方程和動量方程。

1)連續方程[11]

(1)

2)動量方程(N-S方程)[12-13]

(2)

式中：ui、uj是平均速度分量，m/s；xi、xj為坐標分量，m；p是流體微元體上的壓力，Pa；μeff是湍流有效黏性系數，Pa·s。

3)k-ε湍流模型方程[14-15]

(3)

式中：Gk為速度梯度產生的湍動能項；Gb為浮力產生的湍動能項；YM為脈動擴張項；C1ε，C2ε，C3ε為經驗常數；σk，σε分別為與湍動能k和耗散率相對應的Prandtl數；Sk和Sε為用戶自定義的源項。

3 模型求解

本文采用STAR-CCM+軟件進行發電機組的流場特性模擬，其邊界條件的相關設置如下。

1)旋轉域：散熱器冷卻風扇旋轉速度為1 295 r/min，處理為Moving Reference Frame(MRF)；用于電機冷卻的風扇旋轉速度為1 500 r/min，處理為MRF。

2)流體域：流體屬性為20℃標準大氣壓下的空氣，空濾器流量為648 g/s(質量流量入口)；虛擬長方體計算域按照實際大型機組實驗測試廠房空間創建(測試廠房房間長約40 m，寬10 m，高10 m)，入口邊界為滯止入口，出口為壓力出口，其余為無滑移壁面邊界條件。

康明斯6C柴油發電機組的常規型和靜音型2種類型機組的計算模型采用相同邊界條件設置，運行仿真軟件，即可獲得相應的整機流場分布結果。

4 流場模擬結果分析及優化

4.1 風量分布

圖5示出靜音型發電機組與常規型發電機組各冷卻風入口風量分布情況。可以看出，靜音型發電機組總進風量比常規機組小，散熱器的風量也減小了14.9%，容易導致散熱器水箱水溫較高，不易于機組的冷卻。常規型發電機組主要從兩側進風口進風，而靜音型發電機組主要從機組前端中間進風口進風，且冷卻風均要經過發電機和發動機區域，造成進入散熱器的空氣溫度高于常規型機組，降低了換熱性能，不利于機組運行過程中的冷卻。

4.2 速度分布

圖6為靜音型和常規型同一截面速度分布云圖。可以看出，靜音型發電機組主要從機組前端中間進風口進風，此冷卻風均要經過發電機和發動機區域，造成進入散熱器的空氣溫度高于常規型機組。進口處的消聲材料改變了流動路徑，增加了流動阻力，使靜音型機組的總進風量小于常規型機組。

圖5 發電機組風道風量分布情況

圖6 速度分布云圖

4.3 風量分布優化過程

通過對發電機組常規型和靜音型狀態的整機流場分析，發現靜音型風量分布比常規型較差。靜音型發電機組在結構上的差異主要在進風口格柵和進出口消音材料。為了探究這些結構對靜音型發電機組整機流場的影響規律，現對該靜音型發電機組某一結構做單一改動，以判斷其對整個流場的影響權重，為后續優化方案提供參考。

4.3.1 進、出口消音材料的影響

圖7為去掉進口消音材料后靜音型機組風量分布與初始靜音型機組風量分布的對比。去掉進口消音材料后機組總風量提升，電機通道和散熱器處風量增加，散熱器處風量提升約11.46%，表明進口消聲材料對整機流場影響較大。圖8為去掉出口消音材料后靜音型機組風量分布與初始靜音型機組風量分布的對比。去掉出口消音材料后機組風量分布變化不大，散熱器處風量提升0.75%，表明出口消音材料對整機流場特性的影響不明顯。

圖9為僅去掉進口消音材料下部擋板后靜音型機組風量分布與初始靜音型機組風量分布的對比。改動后的整機流場分布較初始流場有一定差異，散熱器風量提升2.82%。該方案可作為后續優化的一個思路。若按照同樣的結構改動方式去掉進口消音材料上部擋板，經仿真分析獲得該狀態下靜音機組總進風量為3.013 kg/s，散熱器處截面風量為2.404 kg/s，比原始結構的風量都低。

圖7 進口消音材料對風量分布的影響

圖8 出口消音材料對風量分布的影響

圖9 進口消音材料下部擋板對風量分布的影響

4.3.2 進風格柵的影響

圖10為中間進風格柵放置位置對風量分布的影響。可以看出，將進風格柵改為朝下和水平方式，可以提升總進風量和散熱器處截面風量。水平方式的進風格柵的風量提升效果略比格柵向下的明顯。

圖11為去掉左右進風格柵(即左右兩側進風口為方形進風口)后靜音型機組風量分布與初始靜音型機組風量分布的對比。改進后的靜音機組整機流場的變化不大。在數值上，總進風量增加0.06 kg/s，總風量提升約為2%，散熱器處截面風量增加0.036 kg/s，提升約1.4%。

圖10 中間進風格柵對風量分布的影響

圖11 左右進風格柵對風量分布的影響

圖12是在靜音型機組的機箱外殼左右兩側增加類似常規機組的進風格柵后風量對比圖。可以看出，在機箱外殼增加左右側進風格柵口后的靜音型機組總進風量增加，散熱器處截面風量也增加，且散熱器處風量相對初始結構下靜音機組散熱器處的風量提升了8.4%，表明增加左右側進風格柵口對提升散熱器處截面風量分布具有顯著效果。

4.3.3 風扇罩的影響

圖13示出去掉散熱器前面的風扇罩后靜音型機組風量與初始結構下風量分布的對比。可以看出，去掉散熱器前面的風扇罩后，機組總進風量增加了1倍多，且通過散熱器的風量也大大增加，風量提升131.47%，說明風扇罩對整機的流場影響很大，可以作為后期優化方向。

圖12 進風格柵對風量分布的影響

圖13 散熱器前風扇罩對風量分布的影響

4．4 優化方案

從改動單一結構后靜音型機組風量分布變化的分析可以看出，進風口消音材料、進風格柵、進風口、風扇罩等結構對整機風量分布具有較大影響。為了保證靜音型機組的靜音效果，優化方案只改動進口消音材料下部擋板。依據分析結果，提出3種優化方案：1)優化方案1(Opt1)，中間進風口格柵水平布置，同時去掉進口下部消聲材料的部分擋板；2)優化方案2(Opt2)，在方案1的基礎上在外殼兩側增加進風格柵；3)優化方案3(Opt3)，改動風扇罩，在原風扇罩上開更多格柵孔， 如圖14所示。

表1所示為靜音型機組各優化方案風量統計。可以看出，3種優化方案均能提升散熱器處截面的風量。優化方案1改動進口消音材料下部擋板后散熱器的風量較原方案提升7.31%，但散熱器處截面風量仍低于常規型發電機組；優化方案2在方案1基礎上再在機箱外殼兩側增加了類似常規型機組的左右側格柵進風口，促使散熱器截面處風量比原方案提升12.29%，且風量與常規型機組風量基本相同；優化方案3改動風扇罩，風量提升效果最明顯，散熱器處截面風量提升了44.33%，在很大程度上提高了機組的散熱性能。

圖14 風扇罩改動示意

方案總進風/(kg/s)電機通道/(kg/s)散熱器/(kg/s)散熱器風量提升/%Opt13.2020.6022.5857.31Opt23.2790.6032.70512.29Opt34.6770.6053.47744.33

圖15所示為風扇罩表面速度分布云圖。可以看出，優化后的風扇罩表面速度分布更均勻，更多的冷卻風通過格柵流向散熱器截面處，較大程度地提升了整機的散熱性能。

圖15 風扇罩表面速度分布

圖16為風量對比柱狀圖。可以看出，在優化方案3下靜音型機組的總進風量高于常規型機組的總進風量，且散熱器處截面風量也高于常規型機組。

圖16 發電機組風量分布對比

5 結論

1)采用STAR-CCM+對康明斯6C柴油發電機組(機組型號S688CCS)的常規型和靜音型進行了流場特性的數值模擬分析。結果表明，靜音型發電機組的冷卻風總量低于其常規型機組，且散熱器處的冷卻風也低于常規型機組，不利于機組散熱。

2)采用單一變量控制方法，研究了進出口消音材料、進氣格柵、風扇罩等對靜音型機組風量分布的影響。結果表明：進氣消音材料對風量分布的影響較大；中間進風格柵水平形式布置和增加進風格柵，靜音型機組總進風量和散熱器截面處風量都能得到提升；散熱器前的風扇罩對機組流場的風量分布影響很大，可以作為后期優化方向。

3)中間進風格柵水平放置、去掉進口消音材料下部分擋板、增加進風格柵、修改散熱器前風扇罩等方式都可以提升散熱器處截面的風量。在風扇罩上增加格柵孔的優化方案效果最好，優化后的靜音型機組的總進風量高于常規型機組的總進風量，且散熱器處截面風量也高于常規型機組，散熱器處截面風量較初始結構下的散熱器風量提升44.33%，冷卻風總量提升，有利于機組的散熱冷卻。

4)采用計算流體力學的數值模擬方法可有效地預測整機流場分布情況，評估風量分布的合理性，并依據流場特性分析進行相應的結構優化，增加高溫部件處的冷卻風量，提升機組的散熱性能。本文的研究結果可為發電機組冷卻風道的設計提供參考。