電磁式發(fā)動機(jī)水冷系統(tǒng)流固耦合傳熱研究

張 云，張瑞賓,2，莫德赟，劉曉剛

（1.桂林航天工業(yè)學(xué)院汽車與交通工程學(xué)院，廣西 桂林 541004；2.長安大學(xué)汽車學(xué)院，陜西 西安 710064）

電磁式發(fā)動機(jī)是一種新型發(fā)動機(jī)，具有結(jié)構(gòu)簡單、性能可靠等優(yōu)點(diǎn)。電磁線圈是其核心部件。電磁線圈的溫度過高會導(dǎo)致其內(nèi)阻過大，以致發(fā)動機(jī)的工作效率降低。電磁線圈內(nèi)部的散熱性較差，處于中心位置的導(dǎo)線相對于外部更容易被熔斷。因此，電磁線圈水冷系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)是提高發(fā)動機(jī)性能的重要手段。電磁式發(fā)動機(jī)的散熱主要通過冷媒換熱，即：冷卻液進(jìn)入水冷系統(tǒng)與電磁線圈表面進(jìn)行熱交換，水流帶走電磁線圈表面的熱量而使電磁線圈冷卻。

流固耦合的方法已在電機(jī)和發(fā)動機(jī)水冷系統(tǒng)的的設(shè)計(jì)中得到廣泛應(yīng)用。李青青等［1］針對電機(jī)系統(tǒng)內(nèi)部熱交換情況，根據(jù)流固耦合理論，獲得了電機(jī)整機(jī)及關(guān)鍵部件的溫度場分布。王曉遠(yuǎn)等［2-3］以電機(jī)機(jī)殼的水冷結(jié)構(gòu)為研究對象，比較了3種不同水路的冷卻效果，通過流固耦合分析得到了高功率密度電機(jī)的溫度分布。張強(qiáng)等［4］根據(jù)流固耦合理論推導(dǎo)出換熱管固體域、管內(nèi)流體域的界面溫度和熱流密度的迭代格式和收斂判別方法。佟文明等［5］基于計(jì)算流體動力學(xué)以及數(shù)值傳熱學(xué)理論，利用有限體積法得到了電機(jī)水冷系統(tǒng)的溫度分布和冷卻液的流速、流阻。田玉冬等［6］以車用電機(jī)為研究對象，采用有限體積法，根據(jù)計(jì)算流體動力學(xué)求得了電機(jī)的溫度場分布及其冷卻水路內(nèi)流體的流動特性。梁炳南等［7］以鋼質(zhì)液箱為研究對象，運(yùn)用有限元分析軟件ADINA（automatic dynamic incremental nonlinear analysis，自動動態(tài)增量非線性分析）對液箱在不同約束條件下的流固耦合現(xiàn)象進(jìn)行分析。梁培鑫等［8］綜合考慮了電機(jī)冷卻水路的散熱效果及其對外部散熱器和泵體結(jié)構(gòu)的影響，給出了基于電機(jī)長徑比的電機(jī)冷卻水路的選擇方法。錢洪［9］對高功率密度電機(jī)的軸向水冷系統(tǒng)和螺旋水冷系統(tǒng)的特點(diǎn)進(jìn)行了分析和比較，提出了電機(jī)水冷系統(tǒng)的選用方法。李建成等［10］基于流體力學(xué)和電機(jī)傳熱理論設(shè)計(jì)了礦用隔爆型電機(jī)的水冷結(jié)構(gòu)，編寫了計(jì)算溫升的程序。趙永強(qiáng)等［11-14］將泵內(nèi)流場和螺桿的結(jié)構(gòu)進(jìn)行耦合分析，得到在不同工況下螺桿的變形和應(yīng)力分布規(guī)律。吳波等［15］利用CFD（computational fluid dynamics，計(jì)算流體動力學(xué)）軟件的流固耦合計(jì)算功能進(jìn)行制動盤的瞬態(tài)傳熱數(shù)值計(jì)算，得到了流固耦合系統(tǒng)的溫度場。筆者采用Fluent流體仿真軟件，結(jié)合有限元方法，構(gòu)建電磁式發(fā)動機(jī)水冷系統(tǒng)流固耦合模型，以獲取水冷系統(tǒng)流場和溫度場的分布信息，并通過實(shí)驗(yàn)來驗(yàn)證該水冷系統(tǒng)的傳熱性能。

1 水冷系統(tǒng)流固耦合傳熱的數(shù)學(xué)模型

流固耦合是指流場與固場通過媒介交換耦合信息，并進(jìn)行場間的交叉迭代?？煞譃閱蜗蚝碗p向兩種流固耦合類型。電磁式發(fā)動機(jī)水冷系統(tǒng)的冷卻水套在冷卻液作用下發(fā)生的形變量很小，即流場的邊界形貌由固體變形導(dǎo)致的改變很小，固體變形不影響流場分布，因此本研究屬于單向流固耦合的范疇。

電磁式發(fā)動機(jī)水冷系統(tǒng)內(nèi)冷卻液的流動和換熱遵循能量守恒、質(zhì)量守恒、動量守恒三大定律，冷卻水套穩(wěn)態(tài)溫度場的導(dǎo)熱遵循拉普拉斯方程。其基本方程如下［16］：

式中：ρ為流體密度；φ為廣義變量；u為速度；Γ為相對于φ的廣義擴(kuò)散系數(shù)；s為動量方程源相；T為固體的溫度；t為時間。

電磁式發(fā)動機(jī)水冷系統(tǒng)流固耦合傳熱的數(shù)學(xué)模型如下［17］：

式中：Δp為冷卻液沿程的阻力損失；f為冷卻液的壓力損失系數(shù)；vAmin為水冷系統(tǒng)中最小流通面積的液體速度；ki和ko分別為冷卻液進(jìn)口和出口處的壓力損失因數(shù)；σ為水冷系統(tǒng)的最小流通率；vi和vo分別為冷卻液進(jìn)口和出口處的速度；vm為冷卻液的平均速度；a為冷卻液與冷卻水套間的摩擦因數(shù)；A為冷卻系統(tǒng)的散熱面積；Ac為冷卻系統(tǒng)最小流通面的面積；Re為雷諾數(shù)。

2 水冷系統(tǒng)流固耦合傳熱仿真分析

流固耦合場的仿真分析要求仿真軟件具有在統(tǒng)一的界面和數(shù)據(jù)庫下同時模擬和分析多種耦合現(xiàn)象的功能?；诹鞴恬詈夏K，利用有限元仿真軟件進(jìn)行流固耦合分析。流固耦合仿真分析的流程如圖1所示。

圖1 流固耦合仿真分析的流程Fig.1 Flow of fluid-solid coupling simulation analysis

2.1 流固耦合模型的建立

利用UG（Unigraphics）軟件建立電磁式發(fā)動機(jī)結(jié)構(gòu)模型。電磁式發(fā)動機(jī)的結(jié)構(gòu)如圖2所示，其由電磁線圈、活塞、連桿、冷卻水套和傳動總成等組成。電磁線圈與蓄電池組連接?；钊c電磁線圈的中心滑槽同軸設(shè)置，一端與連桿的一端轉(zhuǎn)動連接。連桿的另一端與發(fā)動機(jī)主體連接，并驅(qū)動發(fā)動機(jī)主體運(yùn)轉(zhuǎn)。冷卻水套內(nèi)設(shè)有環(huán)形間隙槽（位于水套內(nèi)外壁之間中空處），一側(cè)設(shè)有冷卻液進(jìn)口，另一側(cè)設(shè)有冷卻液出口。

電磁式發(fā)動機(jī)水冷系統(tǒng)如圖3所示。冷卻液經(jīng)過水泵加壓后，通過進(jìn)水口進(jìn)入水冷系統(tǒng)內(nèi)部的管道，與發(fā)動機(jī)的電磁線圈進(jìn)行熱交換后溫度急劇升高，在水冷系統(tǒng)內(nèi)部與空氣進(jìn)行熱交換后從出水口流回水箱。冷卻水套的材料為鋁合金。鋁合金屬于逆磁性材料，在外磁場的作用下產(chǎn)生的合磁矩很小，磁旋渦產(chǎn)生的熱量很小。鋁合金的磁導(dǎo)率約為1.000 22。

2.2 流固耦合模型的網(wǎng)格劃分

2.2.1 固場網(wǎng)格劃分

圖2 電磁式發(fā)動機(jī)的結(jié)構(gòu)Fig.2 Structure of electromagnetic engine

圖3 電磁式發(fā)動機(jī)水冷系統(tǒng)示意圖Fig.3 Schematic diagram of water cooling system of electromagnetic engine

采用hypermesh軟件劃分固場網(wǎng)格，便于網(wǎng)格優(yōu)化。在進(jìn)行網(wǎng)格劃分之前，須對模型進(jìn)行幾何清理和幾何劃分，進(jìn)行人工優(yōu)化。網(wǎng)格劃分之后，采用quality index檢查網(wǎng)格，通過cleanup tools進(jìn)行優(yōu)化。固場網(wǎng)格劃分如圖4所示。從圖可知，網(wǎng)格分布均勻且沒有出現(xiàn)網(wǎng)格不合格的情況，網(wǎng)格質(zhì)量理想。

圖4 流固耦合模型固場網(wǎng)格劃分Fig.4 Grid division of solid field in fluid-solid coupling model

2.2.2 流場網(wǎng)格劃分

采用四面體網(wǎng)格進(jìn)行流場網(wǎng)格劃分，如圖5 所示。在冷卻液進(jìn)出口處進(jìn)行網(wǎng)格加密，以提高計(jì)算的準(zhǔn)確性。流體場網(wǎng)格劃分時，如果局部網(wǎng)格過小，可能導(dǎo)致最終不收斂，甚至導(dǎo)致分析結(jié)果不正確，因此在水冷系統(tǒng)內(nèi)壁面沒有出現(xiàn)過小的網(wǎng)格。

圖5 流固耦合模型流場網(wǎng)格劃分Fig.5 Grid division of fluid field in fluid-solid coupling model

2.3 流場分布仿真分析

由費(fèi)里德曼-赫姆霍滋方程可知［18］，在高速流體中出現(xiàn)卡門渦流極具隨機(jī)性。當(dāng)仿真時間t=8 h時，水冷系統(tǒng)溫升趨于穩(wěn)定狀態(tài)，此時冷卻液流速分布如圖6所示。由圖可知，水冷系統(tǒng)進(jìn)、出口處的流速均約為1.7×104mm/s，比其他部位大很多，出現(xiàn)了層流分離。水流在高速時，不可避免地會出現(xiàn)紊流，進(jìn)而演變成漩渦。在大的漩渦作用下，水冷系統(tǒng)如果存在死角區(qū)域，則死角區(qū)域進(jìn)而會演變成死區(qū)。死角區(qū)域內(nèi)流體的流速近似為0 mm/s，不利于熱交換。同時，由于與高速流體的流速相差非常大，根據(jù)層流理論，死角區(qū)域內(nèi)的流體會使周圍流體的運(yùn)動阻力加大，流速變小。

圖6 冷卻液流速分布（t=8 h）Fig.6 Coolant flow rate distribution（t=8 h）

當(dāng)t=8 h 時，冷卻液流經(jīng)區(qū)域如圖7 所示。冷卻水由進(jìn)水口流入，水冷系統(tǒng)的大部分區(qū)域成為無流區(qū)，導(dǎo)致其熱量整體分布不均勻。采用導(dǎo)熱性較好的鋁合金可以提高無流區(qū)局部散熱能力，且電磁線圈極限溫度不高，因此可以滿足設(shè)計(jì)要求。

2.4 溫度場分布仿真分析

當(dāng)t=8 h 時，水冷系統(tǒng)內(nèi)表面的溫度云圖如圖8所示。水冷系統(tǒng)內(nèi)表面與電磁線圈接觸，其溫度與水流的流速相關(guān)。流速快時，水流帶走的熱量較多；流速慢的區(qū)域的溫度約為75.4 ℃，這個高溫區(qū)與死角區(qū)域的位置一致。

圖7 冷卻液流經(jīng)區(qū)域（t=8 h）Fig.7 Coolant flow through area（t=8 h）

圖8 水冷系統(tǒng)內(nèi)表面的溫度云圖（t=8 h）Fig.8 Temperature nephogram of inner surface of water cooling system（t=8 h）

當(dāng)t=8 h 時，水冷系統(tǒng)外表面的溫度云圖如圖9所示。水冷系統(tǒng)進(jìn)水口處的溫度約為27.3 ℃，出水口處的溫度為約43.7 ℃。進(jìn)出口采用對角設(shè)置，使得熱量吸收較均勻。

圖9 水冷系統(tǒng)外表面的溫度云圖（t=8 h）Fig.9 Temperature nephogram of external surface of water cooling system（t=8 h）

3 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

為了驗(yàn)證電磁發(fā)動機(jī)水冷系統(tǒng)換熱性能仿真結(jié)果的正確性，進(jìn)行水冷系統(tǒng)冷卻實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)裝置如圖10所示，主要由溫度傳感器、流速控制器和測試計(jì)算機(jī)等組成。其中：溫度傳感器分別置于冷卻液進(jìn)出口處和電磁線圈內(nèi)部；流速控制器用于調(diào)節(jié)冷卻液的流速大??；測試計(jì)算機(jī)用于實(shí)時處理所采集的數(shù)據(jù)。根據(jù)QC/T 413—2002《汽車電氣設(shè)備基礎(chǔ)技術(shù)條件》中的規(guī)定進(jìn)行電磁線圈的溫升實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)室環(huán)境溫度為26 ℃，設(shè)定冷卻液流速為1.7×104mm/s，電磁線圈通電連續(xù)工作8 h后達(dá)到穩(wěn)定的溫升，且30 min內(nèi)溫度上升值不大于1 ℃。測量水冷系統(tǒng)各關(guān)鍵部位的溫度，測得進(jìn)水口處的溫度為26.4 ℃，出水口處的最高溫度為46.7 ℃，說明設(shè)計(jì)的水冷系統(tǒng)具有較好的傳熱降溫作用。

圖10 水冷系統(tǒng)冷卻實(shí)驗(yàn)裝置Fig.10 Cooling experimental device of water cooling system

4 結(jié) 論

為了解決電磁式發(fā)動機(jī)電磁線圈的散熱問題，以其水冷系統(tǒng)的流場和固場為研究對象，提出水冷系統(tǒng)流固耦合傳熱的數(shù)學(xué)模型。建立了水冷系統(tǒng)的仿真模型，利用CFD 軟件對水冷系統(tǒng)流場和溫度場進(jìn)行分析，獲得了水冷系統(tǒng)流場和溫度場的分布信息。研究得出以下結(jié)論：

1）冷卻水套材質(zhì)采用導(dǎo)熱性較好的鋁合金，可以提高無流區(qū)的散熱能力；

2）水套進(jìn)出口采用對角結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，可使水冷系統(tǒng)熱量吸收較均勻。

3）電磁式發(fā)動機(jī)水冷系統(tǒng)設(shè)計(jì)合理，其傳熱性能良好，在新能源汽車領(lǐng)域具有較廣的應(yīng)用前景。