舱体结构对辅机通风散热性能的影响

刘　洋，　张佳卉，　刘建峰，　赵春伟，　石　军，　周　丽，　曹元福

(中国北方车辆研究所，北京 100072)



舱体结构对辅机通风散热性能的影响

刘洋，张佳卉，刘建峰，赵春伟，石军，周丽，曹元福

(中国北方车辆研究所，北京 100072)

辅机作为车辆的附属供电设备，其散热性能的好坏直接影响车辆用电设备能否正常工作.为了提高某车辆辅机的散热性能，提出了给辅机的舱体加装隔板的改进方案,并采用CFD方法对该辅机舱内部通风性能进行了仿真分析.然后对原始方案、改进方案、加装排风扇的方案分别进行了台架加载试验.试验结果表明：给舱体加装隔板后，舱内气流组织趋于合理，进排气口处的风量增加了9%，加装隔板后的方案设计是可行的.

辅机；舱体结构；气流组织；CFD

辅机本身是定型产品，在其他定型车辆已有成熟的应用，其本身具有良好的散热能力.但是在实际应用中作为独立模块，需要将其布置于密封舱内，在舱体壁面上开进排气口.原始方案的布置形式，辅机进、排气口气流短路现象比较严重，排气流动不畅，舱内气流组织紊乱、回流、短路等造成辅机运行一段时间后舱内温度过高，发动机缸盖处的温度过高，机油报警器报警，辅机过热，不能正常工作.针对此现象，分析了辅机不能正常工作的原因，并通过加装隔板使辅机舱内气流组织得到优化，散热风量得到提升[1].

1　计算模型及方法

1.1控制方程组

辅机舱内部气流的流动可认为是定常不可压缩流动问题，满足如下的控制方程：

连续方程

(1)

动量方程

(2)

式中：u为速度分量；p为压力；ρ为密度；μ为动力粘性系数.

1.2风扇模型

目前广为采用的CFD方法为多重参考系法(MRF)和滑动网格法(Sliding Mesh)[2].滑动网格法的准确性高，但是占用的计算量大，一般用于轴流风扇的性能计算.MRF法用于定常流动的计算，相对简单和经济，适用于转子和定子之间交互作用相对较弱的叶轮机械.本研究中的发动机自带的风扇为离心风扇，采用MRF法对风扇性能进行预测[3].

1.3计算域模型

改进方案与原始方案唯一的不同处是在辅机舱体内加装了机舱隔板，将整个计算域分为进气域和排气域两部分，如图1所示.

图1　改进方案的计算域模型

1.4网格划分

对进气域和排气域建立非结构四面体网格，网格数目为260万左右.由于离心风扇的结构复杂，流场搅动变化剧烈，为了保证计算的可靠性，风扇叶片由内到外的网格由密到疏过渡，结构细小处需要进一步处理.最终总的网格数为463万左右.

1.5参数及边界条件

默认空气的密度为1.225 kg/m3，动力粘性系数为1.789×10-5kg/(m·s).辅机计算域中离心风扇为旋转计算域，转动中心为(0，0，0)，转动坐标轴为(0，1，0)，转动角速度为3 000 r/min；设置舱体的进气口和排气口分别为压力进口和压力出口.由于发电机自带的风扇没有数模，根据其散热功率值，在其出风口处定义一个300 Pa的压力突变.

1.6求解设置

求解方法采用基于压力的求解器，动量及能量的离散方程采用二阶迎风格式.选择标准的k-epsilon湍流模型，采用SIMPLE速度与压力耦合的处理方法.参考压强为一个标准大气压.

2　计算结果与分析

原始方案中舱体流域混乱，回流、短路等现象较严重. 舱体进气口与排气口处的空气流速很低，舱体内部过热空气无法有效排出舱外. 流经发电机和发动机出口的部分热空气又流回入口，产生短路现象. 舱体流域中局部有漩涡发生，如图2所示.

图2　原始方案的流场速度分布图

舱体加装隔板后，进排气相对顺畅，气流组织相对稳定，气流漩涡、回流、短路现象得到很大的改善，如图3所示.

图3　改进方案的流场速度分布图

为了更加直观地表现流场的分布，取x,z方向的流场速度分布截面，如图4所示.

图4　各截面分布图

图5～图10分别为原始方案和改进方案的x、z1、z2截面的流场分布图.由图5、图7可知，原始方案中热空气从发电机流道出口流出后，沿着左侧壁面回流，大量热空气又流入流道的入口，造成短路现象. 由图7可知，热空气从发电机排出后，在正对壁面附近形成两个局部涡旋，影响热空气的流动. 上述短路和涡旋现象均导致了发电机过热. 加装隔板后，发电机流道出口处热空气的回流减少很多，而且隔板阻断了这部分回流流入发电机入口，如图6所示. 另外发电机流道出口正对壁面处的涡旋消失，而且舱体进气口处冷空气流速增大很多，更有利于冷空气的流入，如图8所示.

由图9可知，原始方案中热空气从发动机排出后，在发动机排烟管和辅机排气口之间形成涡旋，不利于热空气顺利排出舱外. 加装隔板后，上述涡旋消失，且排气口处流场的流速增大很多，更有利于热空气的排出，如图10所示.

图5　原始方案x截面流场速度分布图

图6　改进方案x截面流场速度分布图

图7　原始方案z1截面流场速度分布图

图8　改进方案z1截面流场速度分布图

图9　原始方案z2截面流场速度分布图

图10　改进方案z2截面流场速度分布图

表1为舱体加装隔板改型和原始方案的进、排气口处风量大小. 改型后的风量比原始方案增加了9%，表明在加装隔板后，舱体内气流组织得到优化，气阻减小不少，冷却空气的流量增大，更有利于辅机散热.

表1　辅机舱排气口处风量

3　试验验证

控制离心风扇的转速在3 000 r/min，给定辅机8 kW的负载，在机油滤清器、缸盖表面分别安装温度传感器，测定原始方案和加装隔板后辅机中主要发热件的温度值.

试验结果表明，加装隔板后辅机各测试点温度有明显下降.另外，根据经验，在舱体的排风口处安装一个直径为255 mm、静压力为100 Pa、额定耗功为172.8 W的排风扇强制抽风，散热效果更加明显.试验结果如表2所示.

表2　各测试点温度值　℃

图11～图12为在相同的环境温度17 ℃下，每间隔20 min测得的机油滤和缸盖表面的温度值.舱体加装隔板后，机油滤表面的最高温度下降了16.8%，缸盖表面的最高温度下降了17%.在排风口处安装排风扇后散热效果更加明显，机油滤表面的最高温度下降了35%，缸盖表面的最高温度下降了40%.

图11　机油过滤表面测试点温度值

图12　缸盖表面测试点温度值

4　结　论

1)加装隔板将舱体的进气域和排气域分开后，能够有效避免舱内流场漩涡、回流和短路现象，冷却风量可增加约9%.

2)在排气口加装排风扇可以有效地将舱体内产生的热空气及时地排出舱外，同时也增加了入口处的空气流速，使更多的冷空气进入舱内散热.

[1]姚仲鹏，王瑞君，张习军，等.车辆冷却传热[M].北京：北京理工大学出版社，2001.

[2]于勇，张俊明，姜连田.FLUENT入门与进阶教程[M].北京：北京理工大学出版社，2008:209-211.

[3]上官文斌，吴敏，王益有，等.发动机冷却风扇气动性能的计算方法[J].汽车工程，2010，32(9)：799-802.

Effect of Cabin Structure on the Ventilation and Cooling Performance for Auxiliaries

LIU Yang，ZHANG Jia-hui，LIU Jian-feng，ZHAO Chun-wei，SHI Jun，ZHOU Li，CAO Yuan-fu

(China North Vehicle Research Institute，Beijing 100072，China)

Auxiliaries being the accessory power supply equipment of vehicle，their cooling performance will influence directly whether or not the vehicle could work normally. To improve the cooling performance，a proposal of installing partition on cabin was presented and the ventilation performance inside an auxiliary engine room was simulated by CFD. Then the loading bench tests were conducted with the original scheme，the improvement scheme and the scheme of adding exhaust fans in the laboratory. The results showed that the air distribution of cabin was more reasonable and the volume of the air flowing into the exhaust increased by 9% after installing the partition board，therefore the improvement scheme was proved to be feasible.

auxiliary engine；shell structure；air distribution；CFD

1009-4687(2016)03-0044-04

2015-12-31;修回稿日期：2016-03-11.

刘洋(1986-),男,助理工程师，研究方向为车辆热管理.

U264.5+6

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