基于CFD的燃油加熱裝置設(shè)計(jì)分析

趙明朝 古麗娜 李敏

（北京航天發(fā)射技術(shù)研究所 北京 100076）

燃油加熱裝置作為一種獨(dú)立熱源，受發(fā)動(dòng)機(jī)等其他設(shè)備工況影響較小，具有制熱量大、制熱迅速、耗電量少等特點(diǎn)，因此廣泛應(yīng)用于特種車輛、艦船、裝甲艙等各類運(yùn)載和特種設(shè)備的供熱和預(yù)熱系統(tǒng)。然而，燃油加熱裝置本身的工作特性也導(dǎo)致其對(duì)安裝環(huán)境、電氣條件和操作使用能力提出較嚴(yán)格的要求。

某特種裝備用燃油加熱裝置主要由進(jìn)出風(fēng)風(fēng)道、循環(huán)風(fēng)機(jī)、燃油加熱器、燃油泵、加熱器箱體、控制器等組成，燃油加熱器內(nèi)置于加熱器箱體。燃油加熱裝置工作時(shí)，燃油加熱所需燃油由燃油泵提供，燃燒室內(nèi)吸排氣口均置于外部大氣環(huán)境中。通過(guò)車載供電及柴油源供油，能夠?yàn)闇乜貙?duì)象提供0～5kW的加熱量并具有連續(xù)調(diào)節(jié)的功能，其中，燃油加熱器型號(hào)選用為AIR TOP EVO 5500D基本型。由于燃油加熱器本身燃燒產(chǎn)熱且處于封閉空氣循環(huán)系統(tǒng)中，燃油加熱器安裝位置、控制方式均對(duì)其功能性能產(chǎn)生重要影響。因此，對(duì)該裝置的流動(dòng)傳熱性能的研究及溫度場(chǎng)分布研究具有十分重要的意義。

針對(duì)某特種裝備用燃油加熱裝置，本文嘗試從模型有效性及裝置實(shí)際使用操作分析的角度進(jìn)行分析并與試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比，并作為計(jì)算模型用于本型號(hào)燃油加熱裝置系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和控制方案優(yōu)化。以此為目的，本文從以下幾個(gè)方面展開(kāi)討論。

（1）燃油加熱裝置模擬與試驗(yàn)驗(yàn)證。

（2）燃油加熱器引流管對(duì)加熱裝置流場(chǎng)的影響。

（3）循環(huán)風(fēng)機(jī)停機(jī)（風(fēng)閥關(guān)閉）對(duì)加熱裝置流場(chǎng)的影響。

1 模型與邊界條件

1.1 數(shù)值模型

本文燃油加熱裝置整體作為研究對(duì)象，研究不同使用工況操作條件下空氣流動(dòng)分布特點(diǎn)并與試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比。考慮本加熱裝置風(fēng)道外部均有保溫層，故忽略外部環(huán)境對(duì)加熱裝置的影響。同時(shí)，本文主要分析燃油加熱裝置的溫度及流場(chǎng)分布特性，故將燃油加熱器作為整體熱源，未考慮其內(nèi)部結(jié)構(gòu)特性。

本文采用Gambit2.4 劃分構(gòu)體并通過(guò)Fluent6.3 創(chuàng)建三維模型，計(jì)算域內(nèi)計(jì)算單元總數(shù)約為17 萬(wàn)，最大扭曲度不大于0.8。為保證計(jì)算的準(zhǔn)確性，本文對(duì)燃油加熱器附近網(wǎng)格進(jìn)行了加密處理。燃油加熱裝置簡(jiǎn)化網(wǎng)格模型如圖1所示。

圖1 燃油加熱試驗(yàn)裝置簡(jiǎn)化網(wǎng)格模型

流體控制區(qū)域在風(fēng)道進(jìn)出風(fēng)口、燃油加熱器進(jìn)出風(fēng)口各設(shè)置一組入/出口邊界，其中，入口均采用速度入口邊界條件，出口均采用壓力出口邊界條件。根據(jù)某型號(hào)燃油加熱裝置的設(shè)計(jì)參數(shù)，這里給定環(huán)境壓力設(shè)定為標(biāo)準(zhǔn)大氣壓。本文主要物性參數(shù)及數(shù)值模型選用如表1所示。

表1 物性參數(shù)及數(shù)值模型

1.2 控制方程

本模擬所建立的數(shù)學(xué)模型以質(zhì)量、動(dòng)量和能量守恒為基礎(chǔ)，考慮了黏性和熱傳導(dǎo)等性能。各控制方程如下。

（1）質(zhì)量守恒方程（連續(xù)性方程）：

（2）動(dòng)量守恒方程：

（3）能量守恒方程：

（4）湍流模型：

1.3 邊界條件設(shè)置

根據(jù)本加熱裝置實(shí)際使用工況及循環(huán)風(fēng)機(jī)參數(shù)，設(shè)定風(fēng)道進(jìn)氣口循環(huán)風(fēng)量恒為1500m/h。根據(jù)產(chǎn)品相關(guān)參數(shù)，本文將燃油加熱器循環(huán)風(fēng)量假定為200m/h，環(huán)境溫度設(shè)為15℃，燃油加熱器送風(fēng)溫度通過(guò)計(jì)算得到。

2 結(jié)果與分析

2.1 正常工作模擬

2.1.1 模擬結(jié)果與分析

采用以上邊界條件計(jì)算所得燃油加熱裝置流場(chǎng)分布如圖2所示。從圖2中可以看到，循環(huán)風(fēng)機(jī)進(jìn)風(fēng)后主要通過(guò)外表面及燃油加熱器加熱后輸出，燃油加熱裝置整體循環(huán)速度場(chǎng)分布均勻。在箱體靠近壁面附近，有較小流量的進(jìn)風(fēng)經(jīng)燃油加熱器本體擾流后吹向箱體內(nèi)壁面，返流至進(jìn)風(fēng)口（返流占截面循環(huán)通量的2%），對(duì)整個(gè)加熱裝置影響較小。

圖2 正常工況下的燃油加熱裝置流場(chǎng)速度矢量分布圖（單位：m/s）

圖3 為整個(gè)燃油加熱裝置溫度場(chǎng)分布圖，可以發(fā)現(xiàn)燃油加熱器出風(fēng)均通過(guò)導(dǎo)流管引入至大風(fēng)道，并無(wú)明顯的局部溫度過(guò)高或溫度死角的現(xiàn)象。燃油加熱器入口處平均溫度較環(huán)境溫度高約0.2℃，應(yīng)為模擬時(shí)有部分空氣回流所致。從圖3 中截面可以看出，燃油加熱器入口、出口截面均無(wú)異常溫度分布存在，同樣說(shuō)明該加熱裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)能夠滿足使用要求。

圖3 正常工況下的燃油加熱裝置溫度場(chǎng)分布（X=0 截面，單位：℃）

2.1.2 試驗(yàn)驗(yàn)證

按照燃油加熱裝置設(shè)計(jì)方案，本文搭建測(cè)試試驗(yàn)工裝對(duì)燃油加熱裝置本身工作效能進(jìn)行試驗(yàn)測(cè)試，所搭建測(cè)試試驗(yàn)臺(tái)如圖4所示。

圖4 燃油加熱裝置試驗(yàn)驗(yàn)證

相關(guān)測(cè)試結(jié)果與仿真結(jié)果對(duì)比如表2 所示，將模擬結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比發(fā)現(xiàn)，兩者在溫度場(chǎng)分布數(shù)據(jù)吻合良好，進(jìn)一步驗(yàn)證了模型的準(zhǔn)確性。在表2所示的數(shù)據(jù)中，風(fēng)道出風(fēng)溫度的模擬值略高于試驗(yàn)測(cè)試值，箱體內(nèi)溫度略低于試驗(yàn)測(cè)試值。經(jīng)過(guò)分析，其主要由以下幾個(gè)方面引起。

表2 模擬溫度值與試驗(yàn)測(cè)試值對(duì)比表

（1）模擬時(shí)，對(duì)模型結(jié)構(gòu)進(jìn)行了簡(jiǎn)化，降低了產(chǎn)品實(shí)物各部組件對(duì)循環(huán)風(fēng)阻的影響。設(shè)定風(fēng)道循環(huán)風(fēng)量、燃油加熱器加熱風(fēng)量分別為1500m/h、200m/h，而實(shí)際測(cè)試值約為1450m/h和183m/h。

（2）模擬時(shí)，將箱體及風(fēng)道等設(shè)為絕熱壁面，產(chǎn)品實(shí)物本身和外界有一定的熱交換。

（3）由于無(wú)法獲得相關(guān)數(shù)據(jù)，模擬時(shí)，未考慮燃油加熱器外表面產(chǎn)熱。

2.2 燃油加熱裝置引流管對(duì)加熱裝置的影響

為改善產(chǎn)品設(shè)計(jì)，本節(jié)從產(chǎn)品設(shè)計(jì)角度，建立無(wú)燃油加熱器導(dǎo)流管的三維模型，采用相同的邊界條件，模擬燃油加熱器導(dǎo)流管對(duì)溫度、流場(chǎng)分布的影響，為后續(xù)產(chǎn)品改進(jìn)提供依據(jù)。

由于導(dǎo)流管的設(shè)計(jì)主要考慮經(jīng)燃油加熱器加熱后的循環(huán)空氣是否會(huì)產(chǎn)生回流引起過(guò)熱燒蝕，故這里僅通過(guò)圖5、圖6對(duì)比兩種結(jié)構(gòu)下箱體內(nèi)流場(chǎng)分布和溫度場(chǎng)分布情況，說(shuō)明引流管對(duì)加熱裝置流場(chǎng)的影響。

圖5 中，X=0.145m 和X=-0.145m 截面分別為加熱裝置箱體截面，位于燃油加熱器兩側(cè)。從圖中可以看出，在燃油加熱器左側(cè)面的速度分布中均有一定的返流且在靠近出風(fēng)口處形成流渦，右側(cè)面溫度分布在無(wú)引流管的情況下速度分布也無(wú)明顯差異，說(shuō)明燃油加熱裝置是否安裝引流管對(duì)整體流場(chǎng)分布無(wú)影響。圖6為燃油加熱裝置風(fēng)道出風(fēng)口處及燃油加熱器入口處的溫度分布情況，由于引流管的匯流作用，出風(fēng)口處（Z=0.095m截面）高溫區(qū)域相對(duì)集中，無(wú)引流管狀態(tài)管路內(nèi)高溫區(qū)域相對(duì)分散但自燃油加熱器出風(fēng)口中心向周圍仍有溫度梯度。圖中，入口處（Z=-0.5m 截面）溫度分布情況則基本無(wú)差別（截面正向平均風(fēng)速均為7m/s左右），而其他區(qū)域無(wú)明顯的高溫區(qū)域，說(shuō)明引流管對(duì)燃油加熱裝置整體影響不大。

結(jié)合圖5、圖6 可以說(shuō)明，引流管僅能夠匯聚燃油加熱器出風(fēng)，有無(wú)引流管均不會(huì)影響燃油加熱裝置的設(shè)計(jì)功能實(shí)現(xiàn)。

圖5 引流管對(duì)燃油加熱器兩側(cè)截面流場(chǎng)的影響（單位：m/s）

圖6 引流管對(duì)燃油加熱器兩側(cè)截面溫度場(chǎng)的影響（單位：℃）

在圖4 中的工裝中進(jìn)行對(duì)比驗(yàn)證試驗(yàn)后發(fā)現(xiàn)，去除引流管后加熱器箱體各位置均無(wú)明顯的高溫點(diǎn)，說(shuō)明該加熱裝置去除引流管后并不會(huì)出現(xiàn)回流現(xiàn)象使熱量累計(jì)導(dǎo)致故障的可能。

2.3 循環(huán)風(fēng)機(jī)停機(jī)（風(fēng)閥關(guān)閉）對(duì)加熱裝置的影響

加熱裝置在工作過(guò)程中，易發(fā)生因人工誤操作關(guān)閉循環(huán)風(fēng)機(jī)或風(fēng)閥的情況，導(dǎo)致箱體內(nèi)溫度驟升發(fā)生故障。這里通過(guò)模擬對(duì)該現(xiàn)象進(jìn)行驗(yàn)證。在循環(huán)風(fēng)機(jī)停機(jī)的模擬中，將風(fēng)道入口設(shè)為壓力邊界條件并默認(rèn)壓力為大氣壓力；在風(fēng)閥關(guān)閉模擬試驗(yàn)時(shí)，將出風(fēng)口設(shè)為絕熱壁面。

圖7 為正常工況與循環(huán)風(fēng)機(jī)停機(jī)、風(fēng)閥關(guān)閉工況下X=0、X=0.145m 和X=-0.145m 截面的溫度場(chǎng)分布對(duì)比。由此可知，當(dāng)循環(huán)風(fēng)機(jī)停機(jī)時(shí)，會(huì)在箱體內(nèi)形成一定的返流，并在燃油加熱器出風(fēng)口附近形成局部高溫區(qū)，該處平均溫度約為49℃，遠(yuǎn)高于正常工況時(shí)的此處溫度（約15℃）；而根據(jù)試驗(yàn)破壞工況模擬，在燃油加熱器出風(fēng)口左側(cè)底部溫度約為60℃（模擬結(jié)果為58.6℃）。這就說(shuō)明，當(dāng)風(fēng)閥關(guān)閉時(shí)，燃油加熱器繼續(xù)工作會(huì)在風(fēng)道及箱體內(nèi)迅速形成高溫區(qū)域，若經(jīng)燃油加熱器重復(fù)加熱至更高溫度并形成迭代蓄熱，進(jìn)而無(wú)法正常工作并對(duì)設(shè)備造成損毀。

圖7 循環(huán)風(fēng)機(jī)停機(jī)（風(fēng)閥關(guān)閉）對(duì)加熱裝置內(nèi)溫度場(chǎng)的影響（單位：℃）

本模擬為簡(jiǎn)化計(jì)算，未關(guān)聯(lián)燃油加熱器入口溫升對(duì)出口的影響，故在實(shí)際使用中，該工況可能會(huì)更加惡劣，造成設(shè)備燒蝕或更大事故。

3 結(jié)論

本文通過(guò)基于CFD 的燃油加熱裝置設(shè)計(jì)分析，主要得出以下結(jié)論。

（1）通過(guò)建立合適的數(shù)值模型，能夠有效模擬燃油加熱器加溫系統(tǒng)的流場(chǎng)和溫度場(chǎng)分布情況，為失效分析和優(yōu)化設(shè)計(jì)提供依據(jù)。

（2）燃油加熱裝置的引流管對(duì)整體流場(chǎng)及溫度場(chǎng)影響不大。

（3）燃油加熱器工作過(guò)程中，循環(huán)風(fēng)機(jī)停機(jī)及風(fēng)閥關(guān)閉均能對(duì)設(shè)備造成一定的影響，尤其是風(fēng)閥關(guān)閉情況下會(huì)對(duì)設(shè)備造成嚴(yán)重?fù)p害，實(shí)際使用過(guò)程中應(yīng)避免在以上工況下使用燃油加熱裝置。