结合数值模拟计算动力舱内的熵产*

薛建奇，刘佳鑫,2，王宝中

(1.华北理工大学 机械工程学院，河北 唐山 063210；2.华中科技大学 能源与动力学院，湖北 武汉 430074)

0 引言

动力舱作为工程车辆的核心部分，对整车的工作性能、节能减排和工作寿命都起着决定性的作用。由于动力舱内结构复杂、发热部件多，因此在工程车辆的研究过程中对动力舱的研究更显得重要。合理地布置动力舱内各部件的位置、改变动力舱进出口的位置及大小都能改变动力舱内的热量分布，传统的方法是通过试验测量动力舱内各发热部件及其他各点的温度，但是存在试验复杂、前期准备多、试验经费高和后期整理数据量大等问题。近年来由于CFD数值仿真的广泛应用，更多的研究人员应用数值仿真的方法对工程车辆的动力舱进行研究。闫鹏举[1]研究了基于CFD仿真的大马力平地机散热性能，对风扇和散热器组成的散热模块进行调整改进，解决了平地机系统过热的问题。大连理工大学白文龙[2]对工程机械动力舱内部热环境仿真进行了研究，得出了动力舱进气口尺寸的改变对动力舱内部温度场影响不大。许自顺、于华、闫云乔[3]等对基于CFD的装载机散热器流动特性进行了研究，通过对风扇和导风罩之间的配合进行调整，使散热器能发挥最佳的性能。李海军、毕小平[4]基于熵值法对坦克动力舱热工况进行综合评价的研究，运用熵值法原理科学地确定各评价指标，对某型坦克动力舱的不同布置方案进行了热工况综合评价。

本文通过建立工程车辆动力舱的模型对其进行数值仿真，同时对动力舱内建立熵产评价体系，结合CFD数值仿真的方法计算动力舱内的熵产，为今后动力舱内温度场的优化提供一种新的评价模型。

1 动力舱几何模型

根据工程车辆动力舱真实尺寸建立三维模型，由于其内部较复杂对其进行适当的简化，忽略螺栓和散热器热流体管道等不重要的部件[5-8]，最后建立的动力舱几何模型如图1所示。

1-空气滤清器;2-发动机;3-中冷器;4-变矩油散热器;5-液压油散热器;6-冷却液散热器;7-动力舱出口;8-风扇;9-导风罩;10-水箱;11，12，13，14-动力舱进口;15-消声器

2 CFD数值仿真

2.1 网格划分及边界条件设定

对样车几何模型进行网格划分，应用六面体网格划分规则散热器，利用四面体网格划分风扇、动力舱内及风洞内的网格，检验网格扭曲度满足要求，最终得到7 654 243个网格。环境温度为45 ℃，设置风洞入口为速度入口，出口为压力出口，与空气接触的壁面设置为wall，散热器设置为多孔介质，导风罩、散热器、动力舱和风洞设置为流体区域，轮胎、驾驶室和配重铁等非流体区域设置为固体区域。风扇设置为MRF模型，转速为1 500 r/min,散热器边界条件设置如表1所示。

2.2 仿真结果

利用CFD数值仿真对动力舱的温度进行分析，从仿真结果中可以看出，动力舱进口温度基本等于环境温度45 ℃，空气经过动力舱被动力舱内发热部件加热后，空气在动力舱出口处平均温度为72.5 ℃，具体温度分布云图如图2所示，动力舱压强分布云图如图3所示。

表1 散热器边界条件

由CFD数值仿真结果可以看出：动力舱进气口位置压强基本相同，通过在仿真软件中提取进气口处压强值为-5 Pa,出口处压强平均值为-72.3 Pa。

图2 动力舱温度分布云图 图3 动力舱压强分布云图

通过数值仿真提取动力舱进出口流量，动力舱出口流量为8.402 1 kg/s,由于CFD数值仿真遵循质量守恒定律，进气口流量和排气口流量相同，因此冷空气进入动力舱的流量为8.402 1 kg/s。

3 动力舱内的熵产

3.1 熵产模型

熵方程为热力学第二定律的表达式，能量在传递过程中需要加上一些限制，熵就是用来限制这些过程的。熵方程可以用来检验过程中熵的变化，可以计算过程中的功损耗。

克劳修斯积分式：

(1)

其中：Q为换热量；T为外界温度；等号对应可逆循环，不等号对应不可逆循环。

可逆循环的克劳修斯积分式：

(2)

根据状态参数的特性，被积函数为δQ/T。1865年克劳修斯将这个新的状态参数定义为熵，用符号S表示，即：

(3)

对于可逆过程，热力学第一定律的表达式可写为：

δQ=du+pdV=dh-Vdp.

(4)

其中：u为热力学能；p为压强；V为体积；h为焓。

焓是热力学中表征物质系统能量的一个重要状态参数：

dh=CpdT.

(5)

其中：Cp为定压比热容。由式(3)～式(5)可得：

(6)

对于理想气体：

(7)

S=CplnT-Rglnp.

(8)

熵产模型公式：

(9)

其中：S为动力舱内熵产；m为理想气体质量流量；Ti、To分别为进、出口温度；Rg为气体常数；pi、po分别为进、出口压强。

3.2 动力舱内熵产

通过CFD数值仿真的方法，对工程车辆进行了仿真，并提取了动力舱进出口的温度与压强数值。空气流过动力舱的过程由两部分熵产组成，分别是温差熵产和摩擦熵产。动力舱内熵产如下式：

(10)

其中：mc为冷空气质量流量；Cp为空气定压比热容，为1 004 J/(kg·K)；Rg为气体常数，为0.287 kg/(kg·K)。式(10)中前半部分为温差熵产，后半部分为摩擦熵产。

根据CFD数值仿真可知进出口温度分别为45 ℃、72.5 ℃，进出口压强分别为-5 Pa、-72.3 Pa。将其代入式(10)中，可得空气经过动力舱的熵产为4 017.39 J/K。其中，温差熵产为4 023.83 J/K，摩擦熵产为6.44 J/K。可以看出温差熵产远大于摩擦熵产。

4 结论

本文通过数值仿真与熵产模型结合的方式计算了动力舱内的熵产，经计算发现动力舱内温差熵产远大于摩擦产生的熵产，在今后动力舱优化的过程中应该更多地考虑温度对动力舱内的影响。本文通过对动力舱内熵产进行计算，为利用熵产评价空气流经动力舱过程的能量损耗提供了一种方便可行的方法，对工程车辆动力舱的研究具有一定的参考价值。

参考文献：

[1] 闫鹏举,张硕,刘立伟,等.基于CFD仿真的大马力平地机散热性能分析与改进[J].筑路机械与施工机械化,2016,33(3):87-91.

[2] 白文龙.工程机械动力舱内部热环境仿真[D].大连：大连理工大学,2008：1-40.

[3] 许自顺,于华,闫云乔,等.基于CFD的装载机散热器流动特性研究[J].农业装备与车辆工程,2016,54(2):5-8.

[4] 李海军,毕小平.基于熵值法的坦克动力舱热工况的综合评价[J].装甲兵工程学院学报,2004,18(1):59-62.

[5] 刘佳鑫,秦四成,孔维康,等.虚拟风洞下车辆散热器模块传热性能数值仿真[J].吉林大学学报(工),2012, 42(4):834-839.

[6] 顾程鹏,刘佳鑫,秦四成.动力舱不同出口特征下车辆散热模块性能分析[J].筑路机械与施工机械化,2015,32(7):95-98.

[7] 刘佳鑫,蒋炎坤,秦四成,等.基于CFD与ε-NTU法的工程车辆散热性能预估[J]. 华中科技大学学报(自然科学版),2016,44(8):6-10.

[8] 刘佳鑫,秦四成,蒋炎坤,等.工程车辆翼型热管式散热器性能研究[J].华中科技大学学报(自然科学版),2017,45(3):99-104.