發(fā)電機組流場數(shù)值模擬及優(yōu)化分析

譚禮斌，袁越錦，黃 燦

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

發(fā)電機組是一種常用的工程機械，作為備用發(fā)電的動力源，在商場、超市等公共場所得到了廣泛應(yīng)用。發(fā)電機組開發(fā)前期，在考慮機體緊湊和輕量化的同時，機組散熱是需要重點關(guān)注的問題。發(fā)電機組散熱性能的好壞直接影響產(chǎn)品性能或產(chǎn)品運行狀況。隨著工程軟件的廣泛應(yīng)用，基于數(shù)值模擬分析的性能快速評估方法已經(jīng)成為工程機械研究與開發(fā)的一個發(fā)展趨勢[1-4]。陳國平等[5]通過CFD（computational fluid dynamics，計算流體動力學(xué)）分析獲得了機組流速及壓力場分布，為產(chǎn)品性能評估提供了數(shù)據(jù)支撐；戚中浩等[6]利用流體分析軟件NUMECA 對機組機艙外流場進行了流場數(shù)值模擬分析，探究了空氣進出口位置對實驗測量結(jié)果的影響。基于CFD 技術(shù)的數(shù)值模擬方法對發(fā)電機組內(nèi)部流場進行數(shù)值模擬分析，可快速獲得相應(yīng)的速度及壓力等流場細(xì)節(jié)信息，為產(chǎn)品性能的評估提供支撐。發(fā)電機組初始設(shè)計模型往往存在冷卻風(fēng)量分布不均勻的問題，需要通過流場分析及結(jié)構(gòu)優(yōu)化來改善風(fēng)量分配的均勻性，以達到最佳冷卻效果。針對該問題，本文采用STAR-CCM+對某發(fā)電機組進行流場分析及優(yōu)化研究，分析各冷卻風(fēng)道風(fēng)量分布及熱害部件消聲器的風(fēng)速分布，并依據(jù)流場分析結(jié)果進行針對性地優(yōu)化，以提升機組散熱性能。本研究結(jié)果可為發(fā)電機組的散熱優(yōu)化提供理論參考及仿真數(shù)據(jù)支撐。

1 物理模型

某發(fā)電機組三維模型采用CATIA 2014 軟件按照1∶1 比例建模獲得，如圖1 所示。發(fā)電機組主要零部件包括發(fā)動機主體、電機、變頻器、冷卻風(fēng)扇、油箱、車架、消聲器、空濾器等[7]。采用STARCCM+中多面體網(wǎng)格和邊界層網(wǎng)格對整機模型進行網(wǎng)格劃分，對局部區(qū)域（冷卻風(fēng)道、風(fēng)扇及電機等重要氣流流經(jīng)部件）進行網(wǎng)格加密處理，網(wǎng)格劃分完成后數(shù)量約為2 000 萬。該機組網(wǎng)格及計算域網(wǎng)格如圖2 所示。圖3 為發(fā)電機組發(fā)動機主體冷卻風(fēng)道截面示意圖，用于監(jiān)測各冷卻風(fēng)道風(fēng)量值。

圖1 發(fā)電機組三維模型圖

圖2 網(wǎng)格示意圖

2 數(shù)學(xué)模型及邊界條件

2.1 數(shù)學(xué)模型

本文采用STAR-CCM+11.06 中Realizablekε湍流模型[8]進行整機流場數(shù)值模擬及優(yōu)化分析研究。模擬過程只分析流場，不考慮溫度場，因此僅求解流體連續(xù)性方程和動量方程。STAR-CCM+模擬分析就是求解相應(yīng)的控制方程，計算完成即可獲得相應(yīng)的流場模擬信息。流體流動通用控制方程[9-11]一般表示為

圖3 冷卻風(fēng)道截面示意圖

式中：ρ為流體密度，kg/m3；→u為流體速度，m/s；t為時間，s；Γ為廣義擴散系數(shù)；S為廣義源項；φ為某個變量。當(dāng) φ取不同變量時即可獲得連續(xù)性方程、NS方程[12]。

2.2 邊界條件

采用STAR-CCM+11.06 軟件對發(fā)電機組流場進行數(shù)值模擬時，風(fēng)扇旋轉(zhuǎn)域的旋轉(zhuǎn)采用運動參考系法（moving reference frame，MRF），外界虛擬block 計算域與實際實驗外界環(huán)境一致。具體的邊界條件設(shè)置為：冷卻風(fēng)扇旋轉(zhuǎn)速度為3 600 r/min；流體域的流體屬性為環(huán)境溫度25 ℃標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下的空氣；虛擬計算域邊界按照機組室外工作時的邊界設(shè)置，即虛擬計算域底面ground 為滑移壁面邊界，其余5 個面均設(shè)置為壓力出口邊界（pressure outlet），值為0 Pa。

3 結(jié)果分析與討論

3.1 流場計算結(jié)果

圖4 示出發(fā)電機組冷卻風(fēng)道風(fēng)量分布情況。可以看出：變頻器風(fēng)量為140.2 g/s，占風(fēng)扇總進風(fēng)量的56.23%（風(fēng)扇入口風(fēng)量為250.24 g/s）；火花塞側(cè)總風(fēng)量約為99.8 g/s，占風(fēng)扇總進風(fēng)量的39.89%；挺柱側(cè)總風(fēng)量為41.92 g/s，占風(fēng)扇總進風(fēng)量的16.75%；缸頭蓋風(fēng)量為38.16 g/s，占風(fēng)扇總進風(fēng)量的15.25%。可見，該機組分配到缸頭蓋的風(fēng)量占比較大，不利于冷卻風(fēng)量的合理使用，難以達到一個相對較佳的冷卻效果。后續(xù)需要調(diào)整缸頭附近結(jié)構(gòu)，減小缸頭蓋風(fēng)量的占比，使發(fā)動機各冷卻風(fēng)道風(fēng)量分配更均勻，以提升散熱效果。

圖4 冷卻風(fēng)道風(fēng)量對比圖

圖5 示出消聲器表面速度分布云圖。采用STAR-CCM+中的surface average（面平均）功能可以獲得消聲器表面平均風(fēng)速約為1.85 m/s。圖中消聲器左半?yún)^(qū)域均為藍(lán)色，表示該處表面速度幾乎為0，說明該區(qū)域幾乎沒有冷卻風(fēng)吹過，不利于該區(qū)域的散熱。該區(qū)域?qū)?yīng)為消聲器內(nèi)第2、3 腔室，該兩腔室冷卻效果不好會導(dǎo)致消聲器發(fā)燙、發(fā)紅，溫度過高而發(fā)生燒蝕。在后期優(yōu)化時，考慮在缸頭出風(fēng)位置加導(dǎo)流板，將風(fēng)引至第2 腔室所在區(qū)域。

3.2 機組流場優(yōu)化

3.2.1 優(yōu)化思路及方案

圖5 消聲器表面速度分布云圖

依據(jù)機組流場計算結(jié)果可知，缸頭處的風(fēng)量分配不合理及消聲器冷卻效果不好。為了減小缸頭蓋與缸頭頂部之間風(fēng)道的風(fēng)量，可通過減小間隙或增加擋板來調(diào)整；為使消聲器表面速度分布更均勻，可通過增加導(dǎo)流板或消聲器導(dǎo)風(fēng)罩將冷卻風(fēng)導(dǎo)向散熱較差的區(qū)域；缸頭出風(fēng)口位置也可做相應(yīng)調(diào)整，改變冷卻風(fēng)出風(fēng)位置，將更多的風(fēng)移向消聲器表面，冷卻消聲器。根據(jù)上述思路，對初始方案做結(jié)構(gòu)改進：1）增大消聲器護罩面積，變?yōu)?.2 倍消聲器護罩面積；2）導(dǎo)流板向缸頭平移13 mm；3）外殼出風(fēng)口方向向左移動10 mm；4）在缸頭處增加擋板調(diào)整缸頭蓋處風(fēng)量。結(jié)構(gòu)改進示意圖如圖6 所示。

圖6 結(jié)構(gòu)改進示意圖

3.2.2 優(yōu)化方案流場分析

采用相同的網(wǎng)格和計算邊界對優(yōu)化后的機組結(jié)構(gòu)進行流場數(shù)值模擬分析，得出相應(yīng)的風(fēng)量分布及流場結(jié)果。圖7 為優(yōu)化后冷卻風(fēng)道風(fēng)量分布對比圖。可以看出，結(jié)構(gòu)改進點主要集中在缸頭及消聲器附近，對風(fēng)扇進風(fēng)總量和變頻器風(fēng)量影響不大。結(jié)構(gòu)改進后，發(fā)動機缸頭及箱體處的冷卻風(fēng)道風(fēng)量變化比較明顯：缸頭火花塞側(cè)風(fēng)量增多，缸頭挺柱側(cè)風(fēng)量增多；箱體挺柱側(cè)風(fēng)量增多，箱體火花塞側(cè)風(fēng)量減少。總體來說，優(yōu)化后，發(fā)動機各冷卻風(fēng)道風(fēng)量重新分配，缸頭冷卻風(fēng)量增多，有利于缸頭部件的散熱。圖8 為變頻器表面速度分布云圖。可以看出，變頻器表面速度分布較均勻，不存在流動死區(qū)，表面平均速度約為2.8 m/s。圖9 為電機定子表面速度分布云圖。可以看出，定子表面速度分布較均勻，表面平均速度約為3.97 m/s。

圖7 冷卻風(fēng)道風(fēng)量對比圖

圖8 變頻器表面速度分布

圖9 定子表面速度分布

圖10 消聲器表面速度及流線

圖10 為消聲器表面速度分布及流線分布圖。可以看出，消聲器表面速度分布較均勻，冷卻風(fēng)流經(jīng)的路徑可以覆蓋消聲器整個表面，不存在速度死區(qū)，較初始結(jié)構(gòu)的表面風(fēng)速得到非常明顯的改善。消聲器表面平均風(fēng)速約為2.59 m/s，比初始1.85 m/s 提升了0.74 m/s，有利于消聲器的冷卻，降低消聲器高溫對發(fā)動機體的熱輻射，同時也有益于發(fā)動機機體的散熱。圖10 中截面云圖可看出，冷卻風(fēng)流動路徑為：風(fēng)扇旋轉(zhuǎn)吸風(fēng)，促使冷空氣從變頻器入口進入，通過變頻器后流向風(fēng)扇，風(fēng)扇的旋轉(zhuǎn)和風(fēng)扇罩的分風(fēng)作用，將冷卻風(fēng)導(dǎo)向發(fā)動機本體散熱片上，通過風(fēng)道對發(fā)動機散熱后流入消聲器護罩內(nèi)，對消聲器高溫表面進行散熱，最后從出風(fēng)口排出。圖11 為發(fā)動機表面速度分布云圖。可以看出，發(fā)動機缸頭及箱體速度分布較好，利于發(fā)動機固體部件的冷卻。經(jīng)流場分析驗證，改進后的方案促使發(fā)動機冷卻風(fēng)道風(fēng)量得以重新分配，消聲器風(fēng)量及表面平均速度明顯提升，散熱得到明顯改善。

圖11 發(fā)動機表面速度分布

4 結(jié)論

利用STAR-CCM+對某發(fā)電機組進行了流場數(shù)值模擬分析，得到了發(fā)電機組中發(fā)動機動力源各冷卻風(fēng)道的風(fēng)量分布和熱害部件消聲器表面風(fēng)速分布。依據(jù)流場分析結(jié)果可知，發(fā)動機缸頭及箱體冷卻風(fēng)道風(fēng)量分配不均勻，消聲器表面局部區(qū)域存在速度死區(qū)，不利于整機散熱。通過調(diào)整消聲器護罩面積、出風(fēng)口及導(dǎo)流板位置、增加擋板等方法對機組進行改進，改進后整機散熱得到明顯改善，發(fā)動機冷卻風(fēng)道各風(fēng)量得以重新分配，發(fā)動機火花塞側(cè)區(qū)域風(fēng)量增多，消聲器表面平均速度明顯增加，變頻器、定子及發(fā)動機表面速度分布更均勻。利用STAR-CCM+對整機進行流場特性分析，可快速對樣機模型進行性能評估，為整機產(chǎn)品開發(fā)和系統(tǒng)熱管理匹配提供了很好的數(shù)據(jù)支撐。