內燃機車動力系統散熱通風性能仿真分析

摘??要：柴油機作為內燃機車的動力源，其散熱性能是整機安全運行的一項重要參數;經典的散熱設計計算，以柴油機自身換熱介質及其流動狀態作為輸入常量，通過計算環境通風量來評估散熱性能;本文通過仿真計算，研究在相同功率性能的風機，相同流場域情況下，風機相對動力間排風與吸風時，通過對比散熱系統通風量大小，得出在計算域相同條件情況下（動力間布置及通風窗一致的情況）動力系統的散熱能力，進而得出在類似動力系統布置條件下的優選散熱方案。

關鍵詞：動力系統;通風散熱;內燃機;流體仿真

對于內燃機車和大型養路機械的動力系統設計，往往都會根據整機需求，先確定內燃機功率及其各項主要參數，根據定型內燃機散熱需求來選型散熱系統;散熱系統的設計包括：散熱器設計、通風機設計。本文使用數值仿真的方式，在整個內燃機車動力系統主要核心部件設計定型后，模擬通風散熱流場，對比流過散熱器風量的多少，評估通風散熱流向和散熱系統通風阻力的關系，并總結出一般規律，以指導散熱系統的設計選型。

1?動力系統設計方案描述

本文所針對的分析對象為較為常見的一種鐵路內燃大型養路機械的動力系統，其組成包括：散熱器（散熱翅片、導風罩、冷卻風扇）、冷卻管路系統、膨脹水箱、內燃機、排氣系統、進氣系統、分動箱、發電機、液壓油箱;動力間組成由：動力間、通風窗、隔墻。如圖1所示。

1.1?強制通風設計說明

散熱器通風扇由柴油機驅動，直徑890mm，轉速1500rpm，扇葉前段距離散熱芯子距離150mm，葉尖速度小于90m/s【1】;由于扇葉有柴油機驅動，所以其轉速在作業時恒定，可簡化為仿真fan邊界條件。

1.2?熱平衡計算

冷卻風扇的供風量（冷卻空氣的體積流量），可根據冷卻系統的散熱需求計算【2】：

由以上公式可得散熱量與供風量成正比，冷卻風扇的供風量越大散熱效果越好。

由于整個系統幾何結構未發生變化，供風量的增加同時也說明通過散熱芯子的流速增大，增加流速可以改變冷卻風流動狀態，提高紊流脈動程度，也能增強傳熱【3】。

1.3?通風性能分析

在動力間布置及散熱系統方案確定的情況下，由于動力間只有冷卻風扇為主動風口，通風窗為被動風口，因此通風窗口記錄的總流量即可當做散熱系統的通風量。通過仿真分析冷卻風扇相對動力間吹、排，求出通風窗口的通風量，對比通風量分析冷卻風扇的吸風和排風對于散熱性能的優劣。

2?數值模型描述

2.1?流場域離散

整個計算域包括動力室內部流場和動力室外部流場;動力室外部流場模擬環境對通風散熱的影響，動力室內部流場設置一個通風扇，以模擬散熱風扇。使用有限體積法（FVM）將整個計算域離散分割，如圖2和圖3所示。

離散網格為六面體單元，562978個節點，3079700個單元。其中外流場創建一個的速度入口、四面壓力出口以及一個地板墻面。動力間內部流場域根據實際模型進行簡化處理：進風口簡化為一個fan模型，模擬冷卻風扇;柴油機進排氣簡化為速度入口，模擬柴油機實際的進排氣參數;動力間通風窗創建通風面，記錄通風窗氣流流量;最后將動力間內部一些細小的幾何結構抹去，完成整個流場域的數值離散。

2.2?邊界條件

在相同外流場域中，散熱器風扇的流向對動力間內部通風性能的影響：

• 柴油機進排氣量：進氣速度4.89m/s，排氣速度124.12m/s;

2.3數學模型設置

選用基于壓力的穩態求解器，物理模型選用湍流模型SST?k-ω，材料模型選用標準空氣（不考慮固體受力變形及傳熱所以選擇默認壁面），算法選用Coupled耦合算法，離散精度默認。

2.4計算工況

為了對比出動力間通風性能，將通風機風向及通風窗開合作為變量進行分析，具體工況見下表：

3計算結果及分析

為了方便比較對比，創建如下的數據采集面，如圖4所示：

3.1計算結果

對比可以看出在整車動力系統方案相同時，向動力間外排氣時，散熱系統通風量始終大于往動力間內部吸氣。隨著通風窗的數量增加，吸氣和排氣的通風量都增加，趨于相同。

4?結論

通過數值仿真結果，可以得出以下結輪：

參考文獻：

[1]胡永健.陽路機械用水冷柴油機散熱器設計[B].開發研究，機車車輛工藝，2008.

[2]楊連生，等.內燃機設計[M].北京：機械工業出版社，1991.

[3]張興中，黃文，劉慶國，等.傳熱學[M].國防工業出版社，2011.

作者簡介：金俊權（1987—??），男，漢族，河北衡水人，本科，工程師，研究方向：大型鐵路工程機械。