工程車輛冷卻風(fēng)扇及散熱性能的改進(jìn)分析

溫俊芳，劉佳鑫，秦四成

（1?江蘇安全技術(shù)職業(yè)學(xué)院汽車工程系，江蘇徐州 221011；2?華北理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，河北唐山 063009；3?吉林大學(xué)機(jī)械科學(xué)與工程學(xué)院，吉林長(zhǎng)春 130025）

工程車輛冷卻風(fēng)扇及散熱性能的改進(jìn)分析

溫俊芳1，劉佳鑫3，秦四成2

（1?江蘇安全技術(shù)職業(yè)學(xué)院汽車工程系，江蘇徐州 221011；2?華北理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，河北唐山 063009；3?吉林大學(xué)機(jī)械科學(xué)與工程學(xué)院，吉林長(zhǎng)春 130025）

為提升動(dòng)力艙內(nèi)冷卻風(fēng)扇空氣流動(dòng)狀態(tài)，改善系統(tǒng)散熱性能，結(jié)合某款國(guó)產(chǎn)壓路機(jī)，在已有研究的基礎(chǔ)上，通過對(duì)冷卻風(fēng)扇進(jìn)行重新設(shè)計(jì)，得到改進(jìn)后的動(dòng)力艙模型。并對(duì)其進(jìn)行數(shù)值仿真，分析仿真結(jié)果，將改進(jìn)方案與原始方案進(jìn)行對(duì)比。結(jié)果表明：改進(jìn)后的動(dòng)力艙在中冷器、液壓油散熱器所體現(xiàn)出的散熱性能優(yōu)于改進(jìn)前；但由于受到輪轂比的影響，冷卻液散熱器的散熱性能略低于原始方案，在實(shí)際使用中通過安裝固定裝置對(duì)輪轂比進(jìn)行調(diào)整可以得到改善。

工程車輛；散熱性能；數(shù)值仿真；冷卻風(fēng)扇

0 引 言

隨著中國(guó)基礎(chǔ)建設(shè)的全面展開，節(jié)能減排問題越來越受到關(guān)注。作為建筑工程的主要施工設(shè)備——工程車輛，其節(jié)能減排具體體現(xiàn)在動(dòng)力艙散熱上。壓路機(jī)作為工程車輛的一個(gè)重要組成部分，在炎熱的夏天連續(xù)工作數(shù)個(gè)小時(shí)后，會(huì)出現(xiàn)動(dòng)力艙內(nèi)發(fā)動(dòng)機(jī)水溫驟升，從而導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)損壞，究其原因，主要是由于冷卻系統(tǒng)冷卻性能下降。

為了更好地解決該問題，許多國(guó)內(nèi)外專家和學(xué)者從散熱性方向入手積極展開研究：尚寶蘭等采用數(shù)值仿真與正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)相結(jié)合的方式對(duì)散熱器翅片結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行了仿真分析，得到了參數(shù)對(duì)其流動(dòng)性與散熱性影響的敏感度次序［1］；吉林大學(xué)秦四成教授針對(duì)輪式裝載對(duì)機(jī)罩部位進(jìn)行了仿真分析，并提出多種改進(jìn)方案，通過對(duì)比篩選出了最優(yōu)方案［2］；裝甲兵工程學(xué)院畢小平對(duì)坦克動(dòng)力艙內(nèi)空氣流場(chǎng)進(jìn)行了仿真分析，并通過對(duì)比試驗(yàn)驗(yàn)證了仿真方法的正確性［3］；Shome B對(duì)SUV車艙內(nèi)氣流流動(dòng)性能與換熱性能進(jìn)行了仿真研究，得到溫度試驗(yàn)值與仿真值偏差在2℃之內(nèi)的結(jié)論［4］；Cenk D評(píng)價(jià)了卡車動(dòng)力艙內(nèi)流場(chǎng)的散熱性能，并提出了一系列的改進(jìn)措施［5］；Shaolin M對(duì)非公路工程車散熱器的傳熱性能與動(dòng)力艙的換熱性能進(jìn)行了研究［6?7］；Vivek K對(duì)微型乘用車動(dòng)力艙進(jìn)行了仿真分析，并提出了改進(jìn)方案［8］。

基于以上研究，本文針對(duì)國(guó)內(nèi)某款壓路機(jī)，對(duì)其冷卻風(fēng)扇進(jìn)行重新設(shè)計(jì)，建立新動(dòng)力艙模型，并進(jìn)行仿真分析，對(duì)比原始方案，驗(yàn)證改進(jìn)的有效性。

1 仿真模型

1．1 冷卻風(fēng)扇模型

冷卻風(fēng)扇模型如下［9?13］。

式中：D p為風(fēng)扇前后端的壓強(qiáng)差；v為與風(fēng)扇出口相互垂直的空氣矢量；N為多項(xiàng)式數(shù)目；ρ為空氣密度；fn為多項(xiàng)式系數(shù)；r－為葉片截面相對(duì)半徑；kz為轉(zhuǎn)數(shù)與體積流量的比例系數(shù)；vs為葉片后端旋流系數(shù)；R為葉片半徑；Q為體積流量；χb為輪轂比；ps為風(fēng)扇自由渦流時(shí)的靜壓。

1．2 散熱器模型

散熱器模型如下。

式中：ε為散熱效率；Qr為換熱量；Ntu為效能單元數(shù)；Thotin為熱流體入口溫度；Tcoldin為冷流體入口溫度；Cp1、Cp2分別為熱冷流體的比定壓熱容；m·1、m·2分別為熱冷流體側(cè)質(zhì)量流率；ρcold為冷介質(zhì)密度；D P為散熱器壓力損失；Ac為散熱面積；Ke為出口阻力系數(shù)；Kc為進(jìn)口阻力系數(shù)；w為冷流體流動(dòng)長(zhǎng)度；f為范甘寧摩擦因子；De為水力直徑。

1．3 動(dòng)力艙模型

依據(jù)廠商圖紙與實(shí)際樣機(jī)建立三維動(dòng)力艙物理模型，具體如圖1所示。其中風(fēng)扇、散熱器結(jié)構(gòu)參數(shù)為：風(fēng)扇直徑660 mm，導(dǎo)風(fēng)罩直徑690 mm，輪轂直徑159 mm，無彎掠特征；中冷器散熱面積16?26 mm2，液壓油散熱器散熱面積19．28 mm2，流動(dòng)長(zhǎng)度均為660 mm，冷卻液散熱器散熱面積為21．16 mm2。

圖1 動(dòng)力艙模型

2 原始模型數(shù)值模擬

原始風(fēng)扇和動(dòng)力艙的模型網(wǎng)格、邊界以及流場(chǎng)分析結(jié)果可參見文獻(xiàn)［9?12］，此處不再贅述。

3 改進(jìn)后的仿真模型

結(jié)合NACA4406翼型對(duì)原始風(fēng)扇進(jìn)行重新設(shè)計(jì)計(jì)算，建立改進(jìn)后的風(fēng)扇模型，具體如圖2所示。

圖2 新風(fēng)扇模型

4 CFD數(shù)值仿真

4．1 網(wǎng)格劃分

對(duì)風(fēng)扇表面、發(fā)動(dòng)機(jī)表面、燃油箱采用結(jié)構(gòu)性網(wǎng)格進(jìn)行劃分，對(duì)內(nèi)置動(dòng)力艙風(fēng)洞采用非結(jié)構(gòu)與結(jié)構(gòu)網(wǎng)格進(jìn)行劃分，并對(duì)動(dòng)力艙空氣出入口進(jìn)行網(wǎng)格加密。消聲器作為動(dòng)力艙內(nèi)的主要熱源，在換熱過程中溫度較高，所以必須保證該處的網(wǎng)格質(zhì)量。

4．2 工況與邊界條件設(shè)定

（1）工況設(shè)定：以6 km·h－1的速度前進(jìn)，1擋位，地表溫度為80℃，振動(dòng)。

（2）邊界設(shè)定：采用速度入口，大氣出口；周圍環(huán)境溫度為45℃，消聲器溫度為469℃，發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)體溫度設(shè)為100℃；中冷器入口溫度為186℃，冷卻液、液壓油散熱器入口溫度分別為100℃、80℃；將動(dòng)力艙內(nèi)風(fēng)扇轉(zhuǎn)速設(shè)置為2 300 r·min－1，F(xiàn)LUENT仿真中選用k?e湍流模型［13?18］，增壓空氣、冷卻液、液壓油的流量分別為0?199 9、3．024 2、1．105 4 kg· s－1。

4．3 仿真結(jié)果分析

散熱器出口處空氣溫度如圖3所示。由圖3可知，液壓油散熱器平均溫度低于中冷器；中冷器最高溫度出現(xiàn)在右上角，溫度達(dá)113℃～118℃，這主要是由于中冷器冷熱流體存在過大溫差以及冷卻風(fēng)扇偏置安裝造成的。

圖3 散熱器出口處空氣溫度

動(dòng)力艙出氣口B處空氣溫度如圖4所示。從圖4可以看出，空氣經(jīng)進(jìn)氣口進(jìn)入動(dòng)力艙后，溫度迅速上升，一部分氣流從出氣口直接流出。造成這種現(xiàn)象的原因是：進(jìn)氣口與出氣口相距較近，流動(dòng)阻力較小，速度相對(duì)較大；另一部分空氣向動(dòng)力艙底部移動(dòng)，與消聲器進(jìn)行二次換熱，在消聲器上部的溫度約為120℃，隨后氣流對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行繞流，從空氣出口排出。

圖4 動(dòng)力艙出氣口B處空氣溫度

5 結(jié)果對(duì)比

分別計(jì)算改進(jìn)前后散熱器熱流體出口散熱量，結(jié)果如表1所示?？梢钥闯?，改進(jìn)后的中冷器、液壓油散熱器出口散熱量略有增加，而冷卻液散熱器散熱量減少，這是由于新風(fēng)扇輪轂比大于原風(fēng)扇，導(dǎo)致輪轂處高溫區(qū)域增加。在實(shí)際使用中，可以通過安裝固定裝置對(duì)輪轂比進(jìn)行調(diào)控，從而改善該現(xiàn)象。

表1 兩種方案下熱流體出口散熱量W

6 結(jié) 語

本文針對(duì)國(guó)內(nèi)工程車輛上某款冷卻風(fēng)扇，在原有研究的基礎(chǔ)上，對(duì)其進(jìn)行重新設(shè)計(jì)與建模，并對(duì)改進(jìn)后的動(dòng)力艙進(jìn)行仿真分析，與原始方案對(duì)比后可以得到以下結(jié)論。

（1）改進(jìn)后中冷器、液壓油散熱器的性能都要略優(yōu)于改進(jìn)前，冷卻液散熱器由于受到輪轂比的影響性能略差，但通過安裝固定裝置對(duì)其進(jìn)行調(diào)控后可以改善。

（2）由改進(jìn)方案與原始方案的對(duì)比可知，新型風(fēng)扇在冷卻性能上略優(yōu)于原始風(fēng)扇。

（3）通過對(duì)改進(jìn)后動(dòng)力艙散熱器出口及動(dòng)力艙空氣出口進(jìn)行仿真分析，為動(dòng)力艙位置布局及結(jié)構(gòu)改進(jìn)提供了一定的參考和借鑒。

［1］ 肖寶蘭，俞小莉，韓 松，等．散熱帶翅片參數(shù)對(duì)車用水箱散熱器流動(dòng)傳熱性能的影響［J］．內(nèi)燃機(jī)工程，2010，31（3）：85?89．

［2］ 秦四成，王雪蓮，秦司南，等．輪式裝載機(jī)熱源系統(tǒng)空氣場(chǎng)特征分析［J］．中國(guó)公路學(xué)報(bào)，2010，23（3）：123?126．

［3］ 畢小平，劉西俠，趙以賢，等．坦克動(dòng)力艙內(nèi)三維空氣流動(dòng)數(shù)值模擬［J］．內(nèi)燃機(jī)工程，2003，24（3）：12?15．

［4］ SHOME B，JOSHI R．CFD Based Air?to?Boil Temperature Pre?diction for Sport Utility Vehicle Radiator［J］．SAE Technical Pa?pers，2006?01?3266．

［5］ DINC C，ARSLAN O，AKGUN T，et al．Improvement of Engine Cooling Performance for a Construction Truck using Numerical and Experimental Methods［J］．SAE Technical Papers，2010?01?2054．

［6］ MAO S，F(xiàn)ENG Z，MICHAELIDES E E．Off?highway Heavy?duty Truck Under?hood Thermal Analysis［J］．Applied Thermal Engi?neering，2010，30（13）：1726?1733．

［7］ MAO S，CHENG C，LI X，et al．Thermal／Structural Analysis of Radiators for Heavy?duty Trucks［J］．Applied Thermal Engineer?ing，2010，30（11）：1438?1446．

［8］ KUMAR V，SHENDGE S A，BASKAR S．Underhood Thermal Simulation of a Small Passenger Vehicle with Rear En?gine Compartment to Evaluate and Enhance Radiator Performance［J］．SAE Technical Papers，2010?1?0801．

［9］ 劉佳鑫，秦四成，孔維康，等．虛擬風(fēng)洞下車輛散熱器模塊傳熱性能數(shù)值仿真［J］．吉林大學(xué)學(xué)報(bào)：工學(xué)版，2012，42（4）：834?839．

［10］ 劉佳鑫，秦四成，徐振元，等．工程車輛散熱器模塊散熱性能數(shù)值仿真［J］．西南交通大學(xué)學(xué)報(bào)，2012，47（4）：623?628．

［11］ 劉佳鑫，秦四成，徐振元，等．基于CFD仿真的車輛散熱器性能對(duì)比分析［J］．華南理工大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2012，40（5）：24?29．

［12］ 劉佳鑫，秦四成，徐振元，等．虛擬風(fēng)洞下的車輛散熱器模塊性能改進(jìn)［J］．吉林大學(xué)學(xué)報(bào)：工學(xué)版，2014，44（2）：330?334．

［13］ 劉佳鑫．工程機(jī)械散熱模塊傳熱性能研究［D］．長(zhǎng)春：吉林大學(xué)，2013．

［14］ 顧程鵬，劉佳鑫，秦四成．動(dòng)力艙不同出口特征下車輛散熱模塊性能分析［J］．筑路機(jī)械與施工機(jī)械化，2015，32（7）：95?98．

［15］ 劉佳鑫，蔣炎坤，秦四成，等．基于CFD與ε?NTU法的工程車輛散熱性能預(yù)估［J］．華中科技大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2016，44（8）：6?10

［16］ 徐振元．工程車輛波紋翅片散熱器特性分析與應(yīng)用研究［D］．長(zhǎng)春：吉林大學(xué)，2012．

［17］ 閆鵬舉，張 碩，劉立偉，等．基于CFD仿真的大馬力平地機(jī)散熱性能分析與改進(jìn)［J］．筑路機(jī)械與施工機(jī)械化，2016，33（3）：87?91．

［18］ 傅立敏．汽車超車過程的空氣動(dòng)力特性研究［J］．空氣動(dòng)力學(xué)學(xué)報(bào)，2007，25（3）：351?356．

［責(zé)任編輯：王玉玲］

Analysis on Improvement of Cooling Fan and Heat Dissipation Performance of Engineering Vehicles

WEN Jun?fang1，LIU Jia?xin3，QIN Si?cheng2
（1．Department of Automotive Engineering，Jiangsu College of Safety Technology，Xuzhou 221011，Jiangsu，China；2．School of Mechanical Engineering，North China University of Science and Technology，Tangshan 063009，Hebei，China；3．School of Mechanical Science and Engineering，Jilin University，Changchun 130025，Jilin，China）

In order to improve the air flow condition of the cooling fan in the engine compartment and boost the heat dissipation performance of the system，combined with a domestic roller and the existing research，an improved model of the engine compartment was obtained through the redesign of the cooling fan．The numerical simulation was carried out，and the simulation results were analyzed，and the improvement scheme was compared with the original one．Intercooler and hydraulic oil cooler within the engine compartment show better heat dissipation performance than that before the improvement，but the cooling performance of the coolant radiator is slightly lower due to the influence of the hub ratio，which can be fixed by making adjustment to the hub ratio．

engineering vehicle；cooling performance；numerical simulation；cooling fan

U415．52

B

1000?033X（2017）08?0115?04

2017?01?17

國(guó)家科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目（2013BAF07B04）；2016年湖北省技術(shù)創(chuàng)新專項(xiàng)（2016AAA045）作者簡(jiǎn)介：溫俊芳（1967?），女，山西定襄人，副教授，研究方向?yàn)槠嚢l(fā)動(dòng)機(jī)。