V型兩缸柴油機匹配農機艙內溫度場計算分析

陶麗芳 田入園 李德全 馬小盼 謝小祥 秦炳爽

（安徽航瑞航空動力裝備有限公司產品工程研究院 安徽 蕪湖 241100）

引言

一般農用機械安裝發動機的機艙沒有太多的密封，吹風條件較好，但是因為其行駛速度非常緩慢，自然來流的冷卻風速非常小。主要仍要依靠風扇吹風對機艙進行冷卻。而風扇、機艙以及發動機熱源的布置匹配直接影響了機艙內的散熱與溫度分布。

對發動機艙溫度場開展仿真分析，提前預測高溫危險并采取預防措施是道路車輛設計匹配時已經采用的成熟手段。但是對于非道路的農用機械依然參考競品或經驗值，很少運用先進的仿真手段提前模擬與優化。某V型兩缸增壓柴油機與某用于打藥的農用機械進行動力匹配，運用商業流體軟件，對布置了散熱器中冷器風扇以及發動機的前艙開展流場與溫度場仿真分析，對比了電子風扇與機械風扇對艙內吹風與散熱的影響，并預測了2種風扇下可能出現的高溫風險[1]。

1 理論基礎

對于農用機械，機艙周圍空氣流動速度遠低于聲速，馬赫數較低，可看做不可壓縮粘性流場。而空氣在艙內的流動因為艙內零部件外形結構的變化出現明顯的分支，應做湍流處理。散熱器、中冷器內部翅片數量非常多，且翅片排列均勻，將這2個部件當作多孔介質處理。風扇則用MRF（MovingReferenceFrame）模型模擬葉片的旋轉導致的風速與風量增加[2]。

1.1 基本控制方程

控制方程包括連續性方程、動量守恒方程、能量守恒方程，湍動能方程和湍動能耗散率方程。這些控制方程的通用格式為：

式中：φ為通用變量，可以代表3個速度分量u、v、w，溫度T，湍動能k或湍流耗散率ε等求解變量，Г為廣義擴散系數，S為廣義源項[3]。

標準k-ε模型只適用于湍流充分發展的高雷諾數湍流流動，對于低雷諾數的近壁區域，必須采用特殊的處理方式。文中采用了標準壁面函數法來求解近壁區內流動問題。

1.2 多孔介質與熱輻射模型

多孔介質區域的流動近似為層流流動，根據Darcy定律[3]，氣流流經催化器載體時產生的壓降可表示為：

式中：Pi為慣性阻力系數；Pv為黏性阻力系數。不同散熱器與中冷器有不同的Pi和Pv，可通過空氣側流動壓降實驗獲得相應的數據。

熱輻射模型選取了surface to surface radiation模型。發動機根據零部件的材料不同，分別設置不同的熱輻射系數[4]。

2 農機機艙幾何模型與計算模型

2.1 農機機艙幾何模型

圖1為V型兩缸柴油機布置在農用機械艙內的模型，發動機安裝在車身后面，兩缸前后放置，冷卻系統位置靠近發動機排氣側。風扇正對著排氣歧管與增壓器等熱源部位。圖1a為電子風扇方案，圖1b為機械風扇方案。

圖2為假定為多孔介質的散熱器中冷器模型以及設置為MRF的風扇簡化模型。圖2a、圖2b分別為電子風扇與機械風扇方案。機械風扇中冷器高度相對于電子風扇方案有所增加。

2.2 計算模型

圖1 電子風扇與機械風扇艙內布置圖

圖2 散熱器中冷器與風扇的簡化模型

圖3 為農機機艙的計算模型，為了模擬環境吹風情況，在機艙周圍假定了一個大型的長方形盒子。除了離地間隙與真實情況接近，盒子前方、后方以及上方的距離與機艙足夠遠。這樣，將盒子前方平面設置為進口，施加環境來流速度，盒子的后方平面設置為出口，假定為環境壓力[5]。

圖3 前艙計算模型

2.3 邊界條件

計算農機機艙內的溫度，一般選取較惡劣的環境吹風條件。本文假定環境風速為1m/s，環境溫度為45℃。發動機在額定功率點運轉，這時增壓器與排氣歧管等熱源溫度最高。增壓器溫度假定為550℃，排氣歧管假定為500℃。排氣管及消聲器假定為300℃。增壓器與排氣歧管外圍布置了隔熱罩。在發動機額定功率工況，電子風扇的轉速為2 450 r/min，機械風扇轉速為4 000 r/min。中冷器與散熱器的多孔介質參數如表1所示。

表1 散熱器與中冷器多孔介質參數

3 艙內流場計算結果分析

電子風扇與機械風扇的整體流動基本相近，主要通過風扇的旋轉進行吸風，因為中冷器、散熱器與風扇并列布置，且間隙較小，吸入的風大部分都能經過中冷器與散熱器進入風扇，進而進入艙內。圖4為2方案通過風扇旋轉軸的橫向切片速度矢量圖。風扇吹出的風并沒有直接對著排氣側，而是通過發動機的上下兩端空隙處流往發動機進氣側，直至流出機艙。部分氣體由進氣側流回排氣熱源部位。電子風扇方案的風扇軸周邊區域流速非常小。機械風扇方案連接風扇與曲軸的支架周邊區域流速較小。整體而言，機械風扇的整體風速明顯高于電子風扇。

圖4 通過風扇旋轉軸的橫向切片速度矢量圖

表2為2方案通過散熱器、中冷器以及風扇的風量以及壓力變化情況。機械風扇通過散熱器、中冷器與風扇的風量接近電子風扇的3倍。從而使得機械風扇方案通過這3個部件的迎風風速整體較高，但是壓損也會相應增大。不過機械方案散熱器與中冷器的壓損總體可接受。對于中冷器而言，電子風扇方案，中冷器高度較低，且離散熱器的間隙較大，使得通過中冷器的冷風偏少。而電子風扇方案增加了中冷器的高度，減小了中冷器與散熱器之間的間隙，這樣中冷器與風扇的重合面積進一步加大，從而使得通過中冷器的風量比例加大。

表2 2方案通過冷卻系統的吹風情況對比

4 艙內溫度場計算結果分析

增壓柴油機由于增壓器、排氣歧管以及排氣管處溫度均較高，排氣側周圍的零部件受這幾個熱源部件的熱輻射，導致溫度也會相對較高。圖5、圖6為電子風扇與機械風扇方案在排氣側周圍的溫度場分布。對于電子風扇方案，高溫區域出現在電子風扇的扇盤部位以及連接增壓器壓氣機與中冷器的橡膠軟管根部。扇盤部位溫度高達230℃，橡膠軟管根部溫度也達到220℃。超過了2個部件的溫度限值。對于機械風扇，高溫區域只出現在連接曲軸與風扇的支架處，溫度值為163℃，未超標，滿足要求。可見，由于機械風扇吹風條件得到大大改善，排氣側的溫度也整體降低，沒有高溫風險。V型2缸柴油機匹配在這臺農機上，用機械風扇更合適。電子風扇會存在溫度超標的風險。

圖5 2方案排氣側溫度場分布

圖6 2方案高溫區域對比

5 結論

對于農用機械，可參考道路車輛的匹配，在動力匹配階段即開展艙內流場與運動場分析，預測冷卻系統的流動情況，并預估潛在的高溫風險，為方案選型與優化提供參考。

采用先進的計算機仿真技術對農機匹配進行模擬分析將是今后農機匹配的有效手段與趨勢。