某兩棲車輛動(dòng)力艙冷卻風(fēng)道流場仿真分析

李成重 蔣 橙 肖 斌 唐 博 宋曉敏

冷卻空氣從進(jìn)入車輛到從車內(nèi)排出整個(gè)流程所掠過的腔道，被稱為冷卻風(fēng)道[1]。在一般車輛上，冷卻空氣通常由進(jìn)氣格柵進(jìn)入，穿過散熱器和冷卻風(fēng)扇，然后流經(jīng)發(fā)動(dòng)機(jī)的外表面，直接排入到大氣[2]。然而，在兩棲車輛上，情況要復(fù)雜的多。本文所研究的兩棲車輛，為了滿足嚴(yán)格的涉水性能，冷卻風(fēng)道位于全封閉狀態(tài)下的動(dòng)力艙內(nèi)，冷卻系統(tǒng)設(shè)計(jì)不好將導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)過熱，產(chǎn)生“開鍋”現(xiàn)象。該兩棲車輛在陸地上行駛時(shí)，其動(dòng)力艙內(nèi)的冷卻不成問題；但當(dāng)其在水中低速行進(jìn)時(shí)，動(dòng)力艙內(nèi)的散熱便成了棘手問題。

本文對(duì)該兩棲車輛動(dòng)力艙冷卻風(fēng)道進(jìn)行研究，將其進(jìn)氣通道、散熱器、風(fēng)扇、發(fā)動(dòng)機(jī)、車體等組成的散熱系統(tǒng)作為一個(gè)整體，由高速旋轉(zhuǎn)的風(fēng)扇強(qiáng)制通風(fēng)，借助計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)(CFD)技術(shù)對(duì)冷卻風(fēng)道內(nèi)的流場進(jìn)行仿真分析，研究出風(fēng)口的布置對(duì)于散熱通風(fēng)的影響。

1 兩棲車輛散熱通風(fēng)系統(tǒng)CFD計(jì)算方法

1.1 幾何模型

建立動(dòng)力艙內(nèi)部數(shù)學(xué)模型時(shí)，適當(dāng)簡化對(duì)空氣流動(dòng)及散熱影響不大的部件或幾何尺寸較小部件[3]。針對(duì)進(jìn)氣通道等實(shí)體部件，則需按照實(shí)際幾何拓?fù)潢P(guān)系，形成散熱通風(fēng)系統(tǒng)，動(dòng)力艙冷卻風(fēng)道三維實(shí)體模型如圖1所示?？紤]外界環(huán)境對(duì)動(dòng)力艙內(nèi)氣流流動(dòng)的影響，需在動(dòng)力艙外部建立一足夠大空間[4,5]，建立25×10×10 m3的計(jì)算域，具體如圖2所示。

1.2 控制方程

針對(duì)動(dòng)力艙入口流量及艙內(nèi)氣流分布進(jìn)行仿真分析，不考慮流體與外界的熱交換，其流動(dòng)控制方程式[6]如式(1)、(2)：

連續(xù)性方程：

動(dòng)量守恒方程：

1.3 邊界條件設(shè)置

固體區(qū)與流體區(qū)的物理性參數(shù)為常數(shù)，將空氣密度設(shè)定為1.2014 kg/m3，為穩(wěn)態(tài)流動(dòng)狀態(tài)，不考慮重力和溫度的影響，并且將空氣考慮為不可壓縮；計(jì)算域的入口處為壓力入口邊界，壓力設(shè)置為1個(gè)標(biāo)準(zhǔn)大氣壓；計(jì)算域出口處為壓力出口邊界，壓力同樣設(shè)置為1個(gè)標(biāo)準(zhǔn)大氣壓?？紤]近壁區(qū)域分子粘性的影響，動(dòng)力艙內(nèi)部壁面采用壁面函數(shù)法邊界，空氣與固體壁面交界處的流動(dòng)采用無滑移條件處理；對(duì)于風(fēng)扇邊界，基于準(zhǔn)確的風(fēng)扇數(shù)模，采用設(shè)定旋轉(zhuǎn)參考坐標(biāo)系的方法，將轉(zhuǎn)速2600 r/min作為動(dòng)量源加載到葉片轉(zhuǎn)動(dòng)所掃過區(qū)域的網(wǎng)格；對(duì)于散熱器邊界，采用的散熱器為實(shí)際真實(shí)模型，故未將其簡化為多孔介質(zhì)模型。

1.4 網(wǎng)格劃分

由于整個(gè)計(jì)算域較大，且各部位空氣流動(dòng)存在一定差異，所以采用不同疏密程度的網(wǎng)格對(duì)整個(gè)計(jì)算域進(jìn)行網(wǎng)格劃分。動(dòng)力艙外部規(guī)則的計(jì)算域，采用尺寸較大的結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格進(jìn)行離散；而針對(duì)動(dòng)力艙結(jié)構(gòu)復(fù)雜的內(nèi)部區(qū)域，則采用小尺寸的非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格實(shí)施離散。為確保計(jì)算的精確性，在動(dòng)力艙周圍采用2層加密，針對(duì)動(dòng)力艙內(nèi)部散熱器、風(fēng)扇等重要部位進(jìn)行局部網(wǎng)格加密，生成的網(wǎng)格總數(shù)為172萬個(gè)。

2 結(jié)果分析

對(duì)出風(fēng)口位置分布進(jìn)行研究，首先出風(fēng)口1、2全開，作為方案A進(jìn)行空氣流動(dòng)分析；其次分別關(guān)閉1、打開2作為方案B，打開1、關(guān)閉2作為方案C進(jìn)行數(shù)值模擬分析，具體如圖3所示。

2.1 方案A仿真結(jié)果及分析

圖4為散熱通道對(duì)稱面處壓力分布圖。由圖可知，負(fù)壓主要集中在散熱器及風(fēng)扇等部位，而正壓最大值位于與風(fēng)扇出風(fēng)口相距較近的發(fā)動(dòng)機(jī)部件處。為了更詳細(xì)地觀察散熱通道內(nèi)部的壓力分布，增加如圖5、6的局部壓力分布放大圖。由圖5、6中封閉的較小壓力區(qū)域可推斷，氣流在圖中黑點(diǎn)標(biāo)示部位出現(xiàn)了不同程度的渦流區(qū)。

表1 各截面處的壓力及速度

圖7為散熱通道對(duì)稱面處速度矢量圖。由圖可知，氣流被吸入進(jìn)氣通道，經(jīng)過風(fēng)扇的高速旋轉(zhuǎn)充填至散熱通道的各個(gè)角落，最后經(jīng)駕駛室背面及車體上表面處的2出風(fēng)口流出。從圖中還可清晰的看出，在發(fā)動(dòng)機(jī)上部、底部及后部小范圍內(nèi)均存在一定程度的渦流。氣流在冷卻風(fēng)道內(nèi)部渦流區(qū)停留時(shí)間較長，形成熱量聚集，從而使得動(dòng)力艙內(nèi)部溫度升高，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)散熱產(chǎn)生不利影響。雖然發(fā)動(dòng)機(jī)下部及后部渦流不易改善，但其上部靠近出風(fēng)口1的部位，可以通過優(yōu)化駕駛室底部來減少渦流區(qū)分布，使該部位的氣流能順利從駕駛室背部的出風(fēng)口1處流出。

由表1可知，Ⅰ→Ⅱ進(jìn)氣通道阻力ΔP1，其值為189.4 Pa；Ⅱ→Ⅲ散熱器阻力ΔP2，其值為248.6 Pa，冷卻氣流在穿過散熱器前后兩側(cè)時(shí)，速度減少3.1 m/s；風(fēng)扇前側(cè)Ⅳ截面處負(fù)壓顯著，后側(cè)Ⅴ截面與前側(cè)壓力差為1034.8 Pa；出風(fēng)口1、2處的壓力相當(dāng)，其值分別為24.8 Pa和18.2 Pa，駕駛室背部出風(fēng)口1處由于靠近風(fēng)扇而具有較大的出風(fēng)速度。

2.2 B、C2種方案下所得結(jié)果及分析

圖9、10所示分別為方案B、C狀態(tài)下，散熱通道對(duì)稱面處的速度矢量圖。對(duì)比可知，方案B狀態(tài)下，進(jìn)風(fēng)通道內(nèi)速度矢量線分布較密，這表明在此狀態(tài)下有較多氣流被吸入動(dòng)力艙內(nèi)，更有利于發(fā)動(dòng)機(jī)散熱。

根據(jù)計(jì)算結(jié)果，統(tǒng)計(jì)出出風(fēng)口3種方案下冷卻空氣流量值，結(jié)果參見表2。由表2可知，出風(fēng)口1、2全開時(shí)，散熱通道可通過的氣流量數(shù)值最大，達(dá)到5.87 m3/s；當(dāng)駕駛室背面出風(fēng)口1被堵住時(shí)，散熱通道可通過的氣流量相對(duì)A方案減少6.1%；當(dāng)車體上表面出風(fēng)口2被堵住時(shí)，散熱通道可通過的氣流量則相對(duì)A方案減少14.1%，可吸入氣流量減少較為顯著。

表2 3種方案下空氣流量

3 結(jié)論

(1)本文建立的兩棲車輛動(dòng)力艙三維數(shù)學(xué)模型，能夠準(zhǔn)確反映其內(nèi)部空氣流動(dòng)狀態(tài)。

(2)渦流區(qū)易形成熱量聚集，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)散熱存在一定的影響。

(3)出風(fēng)口的位置分布對(duì)整個(gè)散熱通道氣流流量影響顯著。

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