静音型电源车车载发电机组散热分析及试验研究

苏红春，袁 春，潘小兵，金 钊，玛丽娅

（重庆通信学院 军用特种电源军队重点实验室，重庆 400035）

静音型电源车用于机动作战部队通信与指控节点内开设的众多车辆集中供电保障[1]。为了降低电源车车载柴油发电机组噪声对通信与指挥控制的干扰，减小声目标暴露，采用了图1所示的封闭式机组舱和消声舱结构。舱内温度升高，发电机组热负荷加重。为确保发电机组安全、可靠地完成发电、供电任务，应分析不同工况下静音型电源车车舱内柴油发电机组的散热状况，以便对车舱内的通风散热结构进行合理设计[2-3]。

本文利用FLUENT数值模拟软件对静音型电源车车舱内空气流动及温度场进行数学建模与仿真，进而对车舱柴油发电机组和两级排气消声器的散热情况进行分析。采用环境模拟试验对车舱内温度进行测试，并与仿真计算所得到的数据进行对比分析，验证仿真计算的合理性，分析电源车通风散热结构是否满足通风散热的要求。

1 模型的建立

1.1 物理模型的建立及简化

用Solidworks建立静音型电源车车舱实体模型，如图1所示。车舱主要由操作舱、机组舱和消声舱3部分组成。操作舱内安装操控设备和附件柜；机组舱内安装两台80 kW柴油发电机组，以用一备一的方式工作，用于对外供电。机组舱前部、车舱底部开设进风口，用于机组工作和车舱内设备的冷却散热；消声舱内安装第2级排气消声器，与机组舱内的第1级排气消声器连接起来，对机组的排烟进行消声；靠近排气口的位置安装两个三角形消声立柱，对从机组舱传出的噪声进行控制。空气流动时不经过操作舱，因此主要对机组舱和消声舱内通风散热情况进行建模和仿真分析，而忽略操作舱的部分。

本文主要以电源车车舱内柴油发电机组和两级消声器的温度场分布为研究内容，综合考虑电源车进排风口、机组各部件发热对车舱通风散热效果的影响。在不影响车舱内通风散热情况的前提下，对电源车车舱模型进行简化，以减少网格划分及仿真计算的工作量，避免计算出错，从而更加准确地计算车舱内机组及消声器的散热情况。简化模型的原则是[4]：着重考虑对温度场影响较大的主要散热设备和对空气流场影响较大的设备，忽略对温度场和流场影响较小的设备。简化后电源车模型如图2所示。

1.2 数学模型

由于该静音型电源车内部设备布置、功能单元外形、空气流动和传热非常复杂，为了便于计算和分析，须对车舱内空气流动和传热做以下假设：

（1）电源车车舱内设备运行稳定，所有的散热源向其周围空气散发的热量通过定义的边界面均匀地进入流体区域，将流体与固体接触面上的换热转化为纯流体的加热与对流换热。不考虑壁面的辐射传热。

（2）电源车车舱外部环境温度恒定，即通过进气口进入到车舱内部的空气温度恒定，对于进入车舱内空气的相对湿度可以不予考虑。空气的物性参数值即比热容、密度和粘度等可以根据FLUENT软件中的默认值进行选择。

（3）车舱内流场的空气密度恒定不变，不随温度变化，空气流动可认为是不可压缩稳态定常流动。空气流动不考虑浮力驱动流对流动的影响。

（4）本文的计算区域即电源车内部空气流动区域，可假设为远离壁面的流体区域内的温度场分布，所以假设各壁面厚度都为0。

电源车内气体流速不高，视为不可压粘性流动，流体流动的控制方程组[5]如下：

连续性方程

动量守恒方程

式（1）～（4）中，r为空气密度，kg/m3；ui、uj、uk分别为角坐标系3个方向的时均速度，m/s；xi、xj、xk分别为直角坐标3个系坐标；P为压力，Pa。

为了准确模拟车内空气流动和流场中的湍流，选用标准k-ε模型[6]。模型中湍流粘度表示为两个变量：湍流动能k和湍流耗散率ε，都包含对流和扩散项，表达形式如下：

式（5）～（6）中，r为氧气密度，取1.299 kg/m3；μ为氧气动力粘度，取1.919×10-5(kg·s/m2)；为湍流速度，m/s；常数C1=1.44、C2=1.92、Cu=0.99、=1.0、=1.2。

2 网格划分及边界条件的建立

2.1 网格划分

根据简化后的电源车车舱模型建立空腔模型如图3所示。对模型进行数值模拟前要对其进行网格划分。网格是CFD模型的几何表达形式，也是模拟与分析的载体。网格划分是CFD技术的关键步骤，网格质量的好坏直接影响着CFD计算效率和结果的精确度。当计算模型相对复杂时，网格的生成也相对困难，对计算设备要求较高。

利用ICEM CFD软件进行网格划分。由于电源车计算模型比较复杂，故在网格划分时采用四面体非结构化网格。并且在进行网格划分时，进行基于几何模型曲率自适应的网格细分。ICEM可以通过捕捉几何实体特征自动对网格进行细分，细分的网格小于表面设定的网格，这样得到的网格可以更加真实地反映实体的特征，使计算更加准确，符合实际情况。网格划分结果如图4所示。

2.2 边界条件的建立

对研究对象完成建模和网格划分后，在数值模拟之前要对所建模型边界条件进行设定。在ICEM软件中，根据模型实际情况制定模型中的边界条件类型，用FLUENT求解器求解时对各个边界条件参数进行设置。本模型主要对入口边界条件、出口边界条件、风扇边界条件和壁面边界条件进行了设置。

3 电源车数值计算结果分析及试验

为了得到适合本模型的算法和比较精确的数值模拟结果，在对研究对象完成建模、网格划分和边界条件的设置后，要对FLUENT软件的一些控制参数进行设置。采用压力-速度耦合求解器，标准k-ε双方程湍流模型，并激活能量方程。本模型中，由于主要散热源为发电机组和两级消声器，所以其内部温度值可以间接表示整个流场内部的温度变化是否平衡。

3.1 数值模拟结果分析

通过对不同工况下某静音型电源车车舱内部温度场进行数值模拟，可以比较全面地分析电源车内柴油发电机组和消声器的散热情况。这里主要对不同环境温度下工作的电源车车舱内部温度场进行数值模拟和比较分析。由于发电机组以用一备一的方式工作，因此只对一台工作机组做仿真模拟，便可反映出整个车舱内设备的散热情况。为了方便分析柴油发电机组及消声器的散热效果，在观察温度场分布时，将机组和第1级消声器放在一起分析，将第2级消声器单独分析，这也有利于分析机组与消声器、消声器与排气管连接处的局部温度场分布。

3.1.1 机组和第1级消声器温度场数值仿真分析

图5为环境温度分别为-10 ℃、10 ℃、25 ℃、35 ℃、45 ℃、55 ℃时柴油发电机组及第1级消声器的温度场分布图。由图可以看出：当外部环境温度较低时，机组温度也较低；随着环境温度的升高，机组的温度也随之升高；当环境温度达到55 ℃这一极限温度时，机组大部分面积温度为65 ℃左右，最高达到70 ℃以上。相比之下，第1级消声器由于排气温度很高，散热后整体温度仍较高，最高温度达到80 ℃以上，局部由于处于背向空气流动的方向，温度达到85 ℃。同时，机组和排气管连接处、排气管和消声器连接处由于设备本身结构原因，温度较高，最高达95 ℃。因此，环境温度较低时机组和消声器温度能够满足散热要求，当环境温度达到55 ℃时柴油发电机组散热情况较好，两级消声器温度偏高。

3.1.2 第2级消声器温度场仿真分析

图6为安装于消声舱的第2级消声器在不同工况下的温度场分布图。由图可以看出：各个工况下消声器正对发电机组散热器排气口的一侧温度较低，背向排气口的一侧温度相对较高；环境温度在45 ℃以下时，消声器最高温度没有超过72 ℃；当环境温度达到55 ℃时，消声器正对排气口的一侧温度为60 ℃左右，背向排气口的一侧温度达到80 ℃左右，个别位置温度达到85 ℃以上。相比第1级消声器，由于第2级消声器位于正对柴油机发电机组散热器排风口的位置，散热效果较好，然而当环境温度达到55 ℃时，消声器的温度仍然超出适宜的工作温度范围。

3.2 试验

参照 GJB 150.3A—2009 和 GJB 1488 —1992[7]，试验安排在环境模拟实验室内，分别对环境温度为10 ℃、25 ℃、35 ℃、45 ℃工况下静音型电源车车舱内设备的温度进行测定。测点布置根据中华人民共和国交通行业标准JT/T 216—95，试验测点位置布置如图7所示。测点1位于车舱内两台机组中间，用来测试车舱内气流的温度；测点2布置于发电机上方，测发电机的温度；测点3、4、5测柴油机的温度，其中测点3布置于气缸盖，4和5分别布置于柴油机的前后壁面上；测点6、7分别测试第1级排气消声器背风侧和迎风侧的温度；测点8、9分别测第2级排气消声器迎风侧和背风侧的温度。对不同环境温度下各测点温度值进行测试，得到不同工况下各测点仿真计算值与实测值的比较，见表1～4。

表1 10 ℃工况各测点温度计算值与实测值的比较

表2 25 ℃工况各测点温度计算值与实测值的比较

表3 35 ℃工况各测点温度计算值与实测值的比较

表4 45 ℃工况各测点温度计算值与实测值的比较

从表1～4可以看出，不同工况下电源车仿真计算结果与实测结果比较吻合，大多数测点的计算值略低于实测值；个别测点（如测点6、9）计算值和实测值偏差较大，最大差值达6 ℃。对比结果表明：当环境温度在45 ℃以下时车舱的通风散热结构基本可以满足机组及消声器散热的要求，然而，由于对壁面的具体结构以及传热特性缺乏很精确的了解，对车舱各个壁面传递的热量很难精确确定，这样自然在计算中产生了误差。此外，对车舱门以及各个绝热壁面、车舱内部设备之间热量的相互辐射都进行了忽略，这也将导致误差的产生，同时也是导致同一设备不同侧面温度相差较大的原因。

4 结论

本文建立了电源车车舱3D仿真模型，用ICEM CFD进行网格划分后，在FLUENT求解器中进行温度场的仿真计算，并利用环境模拟试验对仿真计算结果进行了验证，得到以下结论。

（1）随着电源车工作时外部环境温度的升高，空气流动对于柴油发电机组和消声器的散热效果下降。当外部环境温度达到55℃这一极限温度时，机组和消声器的温度较高，消声器表面温度不能满足散热要求。今后的设计中需要对通风散热结构进行进一步的改进。

（2）不同工况下柴油发电机组和消声器的计算值与实测值均比较吻合，大多数测点计算值略高于实测值，个别测点计算值与实测值偏差较大，这几个测点主要为布置于消声器上的测点。由于消声器初始温度较高，因此偏差也在可接受范围内。

（3）由仿真计算与试验结果可知，对于该静音型电源车结构，在计算时所设置的各类边界条件、所采用的计算模型以及实体结构的简化方法是正确的。

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