基于CFD的風扇位置對柴油發電機組散熱影響研究

姬朋輝

摘要：在柴油發電機組開發設計中，應用STAR-CCM+商用流體力學軟件分析了某型號發電機組風扇安裝位置對散熱器進風量與進風速度的影響，研究得出：風扇距散熱器的距離對散熱器散熱能力影響顯著，在一定范圍內隨著風扇與散熱器距離增大，經過散熱器的風量增加;風扇與發動機機體間的距離對風量的影響較小。

關鍵詞：發電機組;STAR-CCM+;風扇位置;散熱性能

中圖分類號：U464.138+.4? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1674-957X（2020）22-0021-02

0? 引言

隨著我國經濟的高速發展，工業用電量急劇攀升，柴油發電機組這一結構簡單、使用方便的電力供應產品成為了常用或應急電源的理想選擇。在郵電、機場、醫院、銀行等場所發揮著不可替代的作用。柴油發電機由于結構緊湊，運行負荷率高，對發動機穩定性要求高，因此發電機組的熱管理就尤為重要。本文使用商用CFD軟件STAR-CCM+對不同的風扇安裝位置進行了模擬，分析散熱器在不同條件下的進風量及速度分布，以期確定最優的風扇安裝位置。

影響冷卻系統散熱性能的風扇安裝參數分為四類分別為：風扇與發動機體的距離;風扇與散熱器距離;風扇伸入護風罩距離;風扇與護封罩徑向間隙。一般風扇廠家根據護風罩的類型對風扇伸入護風罩距離有個最佳的推薦值，為保證風扇運行后與護封圈不出現干涉，在風扇裝配中與護風圈的徑向間隙基本也已確定。鑒于此，本文重點研究了風扇與發動機體的距離和風扇與散熱器距離兩個變量對散熱性能的影響。

1? 數值計算方案

1.1 數值計算方程

發電機組周圍流場空氣流動速度較小，密度幾無變化，因此可作為三維不可壓縮流場進行求解。對不可壓縮牛頓粘性流動滿足連續性方程和動量守恒方程：

本次計算湍流模型選擇標準k-ε湍流模型，采用一階迎風格式進行空間離散，采用SIMPLE壓力修正算法進行耦合迭代。

1.2 計算域的設置

如圖1示，該柴油發電機組由發動機、發電機、風扇、散熱器，擋風罩及連接管路等零部件構成。該發電機組采用風扇吹風冷卻方式，即低溫空氣先冷卻發電機、發動機后經過風扇、散熱器排出。考慮到本型號發電機組工作場所大多數處于室內，因此設置計算域總成為5倍機組長度，寬度為1.5倍機組長度。本機組風扇直徑為450mm，額定轉速2115rpm。

本文網格采用STAR-CCM+獨有的切割體網格進行劃分，在發動機周圍及風扇周圍進行局部網格細化加密，以更好的捕捉空氣流場細節。風扇旋轉域采用動網格技術進行模擬，風扇旋轉域與周圍靜止流體域創建交界面以保證旋轉域與周圍靜止流體域的能量與質量交換。散熱器芯體采用多空介質模型，該模型可通過設置三個方向的慣性阻尼系數和粘性阻尼系數來實現通過多空介質后流體的壓降及流動特性[1]。

2? 風扇距機體位置對機組散熱能力影響

2.1 研究方案

由于發動機前端輪系與零部件眾多，為保證風扇與發動機間不存在干涉，風扇與發動機存在一個最小安裝間距。本文從最小安裝間距開始計算，限于風扇軸強度與振動原因，依次增加20mm、40mm、60mm，共計4個距離，在計算完成后取散熱器端面上的平均風速與流量進行比較分析。

2.2 計算結果

為排除網格等計算因素影響，4種計算方案網格尺寸、物理模型、邊界條件保持一致。計算結果顯示，在本文計算設置范圍內，加大風扇與機體距離，流經散熱器風速和流量有輕微增加，但幅度非常小。可以認為，風扇與機體間距離，對機組散熱性能沒有影響。

圖2-圖5顯示了風扇在不同位置處散熱器端面的速度云圖，同樣可以看出風扇在不同位置時，速度云圖幾乎沒有發生變化，即流經散熱器的風量與風速都沒有發生變化，因此機組的散熱性能也沒有明顯變化。

3? 風扇距散熱器位置對機組散熱能力的影響

3.1 研究方案

風扇距散熱器間的距離受限因素較少，實際安裝過程中改變風扇與散熱器間的距離也比較容易操作，因此研究風扇與散熱器間距離對機組散熱器能力的影響更具現實指導意義。本文從最小安裝間距開始計算，水箱依次后移50mm、100mm、200mm、300mm、400mm，共計6種計算方案。在完成計算后取散熱器端面上的平均風速與流量進行比較分析。

3.2 計算結果

為排除網格等計算因素影響，6種計算方案網格尺寸、物理模型、邊界條件保持一致。計算結果顯示隨著水箱的后移，風扇端面的平均風速、流量呈增大趨勢，且存在一個拐點，本機型的拐點為原水箱位置后移200mm左右。同時可以發現在后移50mm其散熱器表面平均風速與流量增長的幅度最大，后面增長的幅度逐漸變小。（表2）

通過各位置處散熱器端面速度云圖可以更直觀顯示出不同位置散熱器的速度分布變化。散熱器處在原位置其端面在左上、右下及中間位置存在明顯的逆風回流現象，且高速風區分布集中;隨著散熱器與風扇距離加大，逆風回流區域逐漸減小當散熱器后移200mm時左上、右下區域逆風回流現象消失，高速風區分布逐漸均勻。散熱器繼續后移300mm、400mm，高速風區分布愈加均勻，中間位置回流區域也在減小，但隨著距離的增加，風速出現下降，因此流經散熱器的流量開始變小，散熱性能降低。（圖6-圖11）

4? 總結

本文通過CFD技術對發電機組風扇安裝位置對散熱性能的影響進行了研究，其中風扇與機體位置設置4個方案，風扇與散熱器位置設置6個方案，通過計算分析得出以下結論：①在風扇與散熱器位置一定時，加大風扇與機體間距離對散熱器表面的風速和流量影響很小;②在風扇與機體位置一定時，加大風扇與散熱器間距離，流經散熱器表面的風速和流量都有比較明顯的增大，且增大趨勢存在一個拐點，即大于一定距離后風速和流量開始出現下降;③對本文計算機型，建議維持風扇與機體位置并適當增加風扇與散熱器間的距離。

參考文獻：

[1]常賀.某車輛熱管理系統開發研究[D].吉林大學，2014.