裝甲車輛動(dòng)力艙空氣流動(dòng)與傳熱仿真研究

康琦，劉建敏，王普凱，劉艷斌，董意

(1.陸軍裝甲兵學(xué)院車輛工程系，北京 100072；2.中國海上衛(wèi)星測控部，江蘇 江陰 214431)

隨著高功率高密度動(dòng)力和傳動(dòng)裝置的發(fā)展，裝甲車輛動(dòng)力艙的功率密度越來越大，導(dǎo)致動(dòng)力艙內(nèi)散熱需求增大。同時(shí)動(dòng)力艙內(nèi)部件布置緊密，不能對其結(jié)構(gòu)進(jìn)行大的修改。因此研究裝甲車輛動(dòng)力艙空氣流動(dòng)與傳熱進(jìn)而提高動(dòng)力艙散熱能力就顯得尤為重要[1-2]。

裝甲車輛動(dòng)力艙空氣流動(dòng)與傳熱研究[1-7]一般方法是通過建立動(dòng)力艙三維模型并離散為有限元網(wǎng)格模型，然后對動(dòng)力艙空氣的流場和溫度場以及散熱器的傳熱進(jìn)行詳細(xì)仿真計(jì)算。這種方法對數(shù)據(jù)要求高，建模時(shí)間長且仿真計(jì)算收斂慢，對計(jì)算機(jī)硬件要求高。本研究將三維CFD模型轉(zhuǎn)化為一維CFD模型，而后對一維模型進(jìn)行求解，這種仿真方法在保證一定計(jì)算精度的前提下，可以大大節(jié)省計(jì)算時(shí)間。

本研究首先建立了裝甲車輛動(dòng)力艙三維模型，在此基礎(chǔ)上利用GT-Cool 3D軟件建立散熱器和風(fēng)扇Cool 3D模型，隨后將三維CFD模型離散成大量的小體積塊，得到一維CFD仿真模型，而后采用有限體積法進(jìn)行求解，最后對標(biāo)定工況下動(dòng)力艙空氣流動(dòng)和傳熱進(jìn)行了分析。

1 理論分析

動(dòng)力艙的傳熱主要集中在散熱器部件上，該裝甲車輛采用管帶式緊湊散熱器，冷卻方式為強(qiáng)制風(fēng)冷。散熱器內(nèi)部熱流和冷流的傳熱及散熱器傳熱量[8]可采用式(1)和式(2)計(jì)算求得。

式中：QM，QS和QR分別為冷卻液、空氣和散熱器散熱量；mM，mS分別為冷卻液和空氣質(zhì)量流量；CpM，CpS分別為冷卻液和空氣比熱容；TM′，TM″分別為冷卻液入口和出口溫度；TS′，TS″分別為空氣入口和出口溫度；KR為散熱器傳熱系數(shù)；AR為散熱器傳熱面積；ΔTm為散熱器對數(shù)平均溫差。

管帶式散熱器和空氣接觸的散熱片，在計(jì)算上可當(dāng)作肋片處理[9]，其傳熱系數(shù)為

式中：hM，hS分別為熱流體與壁面間對流傳熱系數(shù)和冷流體與肋表面間對流傳熱系數(shù)；δ，λ分別為肋片厚度和導(dǎo)熱系數(shù)；β，η分別為肋化系數(shù)和肋化效率。

其中對流傳熱系數(shù)通過努賽爾關(guān)聯(lián)式[7]計(jì)算得到：

聯(lián)立以上各式得到對流傳熱系數(shù)：

式中：h為流體與壁面間對流傳熱系數(shù)；k為流體熱傳導(dǎo)率；L為特征長度；μ為流體動(dòng)力黏度；Cp為流體比定壓熱容；ρ為流體密度；v為流體流速。

2 模型建立

裝甲車輛動(dòng)力艙是安裝動(dòng)力裝置、傳動(dòng)裝置、冷卻系統(tǒng)、潤滑系統(tǒng)及其他輔助系統(tǒng)的一個(gè)車體隔艙，這些部件約束了艙內(nèi)空氣的流動(dòng)空間，構(gòu)成了空氣流場的邊界。

風(fēng)扇高速運(yùn)轉(zhuǎn)，強(qiáng)制空氣在動(dòng)力艙內(nèi)循環(huán)流動(dòng)，冷卻各熱源部件表面。冷卻空氣具體的流動(dòng)路線為：從進(jìn)氣百葉窗進(jìn)入后，流進(jìn)散熱器再由風(fēng)扇經(jīng)排氣百葉窗排至車外，冷卻風(fēng)道呈現(xiàn)U型(見圖1)。

圖1 冷卻空氣流動(dòng)路線

2.1 動(dòng)力艙三維實(shí)體模型

利用Pro/E軟件，分別建立進(jìn)排氣百葉窗、變速箱、發(fā)動(dòng)機(jī)、行星轉(zhuǎn)向機(jī)、齒輪箱、風(fēng)扇等部件的三維實(shí)體模型，并按實(shí)際的空間布置進(jìn)行了裝配，裝配模型見圖2。三維實(shí)體模型為動(dòng)力艙空氣流動(dòng)提供約束。在模型建立過程中，考慮到動(dòng)力艙內(nèi)部件結(jié)構(gòu)復(fù)雜和仿真過程離散程度，同時(shí)為了提高計(jì)算速度，對模型中的一些細(xì)節(jié)特征進(jìn)行了簡化處理。

2.2 裝甲車輛動(dòng)力艙CFD模型

2.2.1散熱器模型

該型裝甲車輛水散熱器[10]由前集水箱、后集水箱、散熱帶、散熱管等組成，位于傳動(dòng)部分的右上方。其芯體采用管帶式結(jié)構(gòu)，分別與前后集水箱連接在一塊，其中前集水箱內(nèi)部分為3室，后集水箱內(nèi)部分為2室，因此冷卻液在散熱器芯體中流經(jīng)兩個(gè)來回(4個(gè)流程)。散熱管排成7列，散熱帶呈波紋狀，并制有缺口。散熱器的芯部和空氣通道結(jié)構(gòu)參數(shù)見圖3和圖4。

圖2 裝甲車輛動(dòng)力艙三維模型

圖3 散熱器芯部結(jié)構(gòu)示意 圖4 空冷側(cè)翅片主要參數(shù)

其中：W=488 mm；L=1 444 mm；H=150 mm；δ=0.2 mm；b=2.7 mm；h=9.5 mm。

2.2.2風(fēng)扇模型

該型裝甲車輛的風(fēng)扇采用后彎形離心式結(jié)構(gòu)，由風(fēng)扇輪盤、導(dǎo)向圈和18個(gè)葉片組成，位于裝甲車輛尾部左側(cè)。根據(jù)風(fēng)扇試驗(yàn)數(shù)據(jù)，對壓升與空氣流速的關(guān)系進(jìn)行擬合，得到兩者關(guān)系：

ΔP=3 427.889 4-23.717 5v-2.774 1v2。

(7)

2.2.3動(dòng)力艙CFD模型

在GT-Cool 3D軟件[11-12]中將動(dòng)力艙三維實(shí)體模型導(dǎo)入其中并轉(zhuǎn)化為障礙物，然后建立散熱器和風(fēng)扇的Cool 3D模型，最后建立動(dòng)力艙空氣流動(dòng)區(qū)域。由于軟件限制只能建立散熱器迎風(fēng)面和風(fēng)扇迎風(fēng)面平行的三維CFD模型，無法直接建立U型冷卻風(fēng)道。

為了解決這個(gè)問題，以風(fēng)扇前側(cè)為分割線將動(dòng)力艙分成兩個(gè)部分，分別建立三維CFD模型，并分別離散為兩個(gè)獨(dú)立的一維CFD仿真模型，即散熱器部分和風(fēng)扇部分。在GT-Suite軟件中將這兩個(gè)一維模型進(jìn)行邊界耦合，最終完成裝甲車輛U型冷卻風(fēng)道一維CFD模型的建立。建立的模型見圖5至圖7。

圖5 裝甲車輛動(dòng)力艙三維CFD模型

圖6 裝甲車輛動(dòng)力艙三維離散模型

圖7 裝甲車輛動(dòng)力艙一維CFD模型

2.3 邊界條件

發(fā)動(dòng)機(jī)標(biāo)定工況下的風(fēng)扇、冷卻液及外部環(huán)境的邊界條件見表1。

表1 裝甲車輛動(dòng)力艙模型邊界條件

2.4 模型驗(yàn)證

為驗(yàn)證建立的裝甲車輛動(dòng)力艙仿真模型的準(zhǔn)確性，進(jìn)行了實(shí)車試驗(yàn)，得到進(jìn)排氣百葉窗處空氣溫度和流速、水散熱器熱側(cè)冷卻液進(jìn)出口溫度和流速。車輛運(yùn)行的環(huán)境溫度為25 ℃，環(huán)境壓力為101 kPa，發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速為2 000 r/min，轉(zhuǎn)速穩(wěn)定后進(jìn)行測試。數(shù)字采集系統(tǒng)采用DH5967，溫度傳感器采用JCJ100TLB，流量傳感器采用LWGY型渦輪速度型流量計(jì)，速度傳感器采用Kanomax MODEL 6332D。傳感器安裝位置見圖8。

圖8 傳感器安裝位置示意

將冷卻風(fēng)道阻力、冷卻風(fēng)道流量及散熱器散熱量的試驗(yàn)值和計(jì)算值進(jìn)行對比(見表2)，其中散熱器散熱量由冷卻液進(jìn)出口溫度和流量計(jì)算得到。

表2 風(fēng)道流量、阻力和散熱量試驗(yàn)值與計(jì)算值對比

通過對比分析發(fā)現(xiàn)：該裝甲車輛動(dòng)力艙模型的3個(gè)參數(shù)最大誤差為5.33%，在工程誤差允許范圍之內(nèi)，從而驗(yàn)證了模型的準(zhǔn)確性。

3 仿真結(jié)果及分析

3.1 動(dòng)力艙空氣流動(dòng)仿真結(jié)果

通過建立的裝甲車輛動(dòng)力艙一維CFD模型，對該裝甲車輛標(biāo)定工況下的動(dòng)力艙空氣流動(dòng)狀態(tài)進(jìn)行了計(jì)算，計(jì)算結(jié)果見圖9至圖11。

圖9 進(jìn)氣百葉窗處空氣流速分布示意

從圖9可以看出：外界空氣主要從進(jìn)氣百葉窗進(jìn)入動(dòng)力艙，其空氣流速較高，但其流速分布不均勻；位置越靠近動(dòng)力艙尾部，空氣流速越高，這主要是由于風(fēng)扇位于動(dòng)力艙尾部，動(dòng)力艙后部空氣壓差大，并且進(jìn)氣百葉窗的開窗角度為斜向后，會(huì)對空氣流動(dòng)方向產(chǎn)生一定影響；進(jìn)氣百葉窗左半部分處的空氣流速普遍要比右半部分高，這主要是由于風(fēng)扇的位置不在動(dòng)力艙尾部的中央，而是稍偏左；在進(jìn)氣百葉窗中央位置處存在一段空氣流速很小的區(qū)域，這主要是由于為了提高裝甲車輛的防護(hù)性能，進(jìn)氣百葉窗板中央存在一段隔板。

從圖10可以看出：動(dòng)力艙中間位置的空氣流速分布較為紊亂，這主要是由于變速箱、行星轉(zhuǎn)向機(jī)、傳動(dòng)箱等部件對氣流的阻礙作用；動(dòng)力艙中大部分的氣流集中在動(dòng)力艙的后部且流速較高，小部分的氣流流向動(dòng)力艙的前部但流速較慢，這主要是由于空氣入口和出口都位于動(dòng)力艙后部，風(fēng)道容易形成；動(dòng)力艙后部空氣流速高的區(qū)域主要集中在左半部分，并且在右半部分出現(xiàn)了空氣回流的現(xiàn)象，這主要是由于風(fēng)扇的偏心布置以及變速箱、行星轉(zhuǎn)向機(jī)等部件的阻礙作用。

圖10 動(dòng)力艙中間位置空氣流速分布示意

從圖11可以看出：風(fēng)扇進(jìn)口處的空氣流速分布是不均勻的，空氣流速高的區(qū)域主要集中在y方向200～1 300 mm的區(qū)域，這主要是由于風(fēng)扇偏心布置。此仿真方法中風(fēng)扇的流場分布更貼近于實(shí)際情況，為整個(gè)動(dòng)力艙空氣流動(dòng)和傳熱提供了更準(zhǔn)確的動(dòng)力。

圖11 風(fēng)扇進(jìn)口處空氣流速分布示意

3.2 散熱器處空氣流動(dòng)與傳熱仿真結(jié)果

通過建立的裝甲車輛動(dòng)力艙一維CFD模型，對該裝甲車輛標(biāo)定工況下的散熱器空氣流動(dòng)和傳熱性能進(jìn)行了計(jì)算，計(jì)算結(jié)果見圖12至圖16。

圖12 散熱器冷側(cè)空氣流速分布示意

從圖12可以看出：散熱器冷側(cè)空氣流速范圍為3.27～17.40 m/s，變化幅度較大，分布較為不均勻。在y方向上，在860～1 200 mm區(qū)域中的空氣流速相比于其他區(qū)域明顯變小，這主要是由于進(jìn)氣百葉窗板中央存在一段隔板，外界空氣不能直接吹向散熱器；在z方向上，空氣流速高的區(qū)域主要集中在1 110～1 530 mm之間，在980～1 530 mm區(qū)域中空氣流速有所減小，但是流速相差不大，這主要是由于風(fēng)扇位于動(dòng)力艙的尾部。

圖13 散熱器冷側(cè)對流傳熱系數(shù)分布示意

從圖13可以看出：散熱器冷側(cè)對流傳熱系數(shù)的范圍為48.1～200.5 W/(m2·K)，變化幅度較大，分布較為不均勻。散熱器冷側(cè)對流傳熱系數(shù)分布與其冷側(cè)的空氣流速分布相似，這主要是由于在求解散熱器冷側(cè)對流傳熱系數(shù)時(shí)，只有空氣流速發(fā)生變化，其他影響對流傳熱系數(shù)的參數(shù)可視為定值，根據(jù)式(6)可知，空氣流速越高，空氣與壁面間對流傳熱系數(shù)也就越大。

從圖14可以看出：散熱器冷側(cè)空氣出口溫度的范圍為61.25～85.63 ℃，空氣的溫升范圍為34.4～58.78 ℃，分布較為不均勻。散熱器冷側(cè)空氣出口溫度分布與其冷側(cè)的空氣流速分布正好相反，即空氣流速越慢的區(qū)域，空氣出口溫度越高，這主要是由于空氣流速高的區(qū)域，其空氣質(zhì)量流量也就越大，根據(jù)式(1)和式(2)可知，空氣流速越高，流經(jīng)散熱器的空氣溫升也就越小，即空氣出口溫度越小。

圖14 散熱器冷側(cè)空氣出口溫度分布示意

圖15 散熱器熱側(cè)對流傳熱系數(shù)分布示意

從圖15可以看出：散熱器熱側(cè)對流傳熱系數(shù)的范圍為850.1～857.7 W/(m2·K)，變化幅度較小，分布較均勻，且呈現(xiàn)出4個(gè)流程的變化趨勢。這主要是由于冷卻液在散熱器芯體中流經(jīng)4個(gè)流程，且各區(qū)域的流速變化很小，根據(jù)式(6)可知冷卻液與壁面間對流傳熱系數(shù)變化幅度較小。

圖16 散熱器熱側(cè)冷卻液溫度分布示意

從圖16可以看出：散熱器冷卻液入口溫度為87.02 ℃，出口溫度為79.75 ℃，溫差為7.27 ℃，散熱器熱側(cè)冷卻液溫度分布基本與其對流傳熱系數(shù)分布相同，但是溫度分布變化幅度較大。同時(shí)冷卻液在流經(jīng)散熱器前兩個(gè)流程時(shí)溫度下降幅度較大，說明前兩個(gè)流程整體冷卻散熱效果好；但是在流進(jìn)第三、四流程時(shí)，冷卻液溫度下降幅度較小，尤其是第三流程，說明其冷卻散熱效果差。因此進(jìn)氣百葉窗板中央的隔板對于散熱器的冷卻散熱能力有較大影響。

3.3 散熱器高度對空氣流動(dòng)與傳熱的影響

在動(dòng)力艙一維CFD模型中改變散熱器位置高度(變化范圍為±60 mm)，進(jìn)一步分析散熱器位置高度對空氣流動(dòng)與傳熱的影響(見圖17和圖18)。

圖17 流經(jīng)散熱器的空氣流量隨散熱器高度的變化

圖18 散熱器散熱量隨散熱器高度的變化

從圖17和圖18可以看出：流進(jìn)散熱器的空氣流量隨散熱器高度的增加而增加，散熱器的散熱量也有同樣的趨勢。散熱器高度每增加20 mm，流進(jìn)散熱器的空氣流量平均增加0.523 m3/s，平均增幅為7.32%；散熱器的散熱量平均增加11.43 kW，平均增幅為3.69%?？梢娚崞鞲叨葘τ趧?dòng)力艙空氣流動(dòng)和傳熱的影響較為顯著。

4 結(jié)論

a) 裝甲車輛動(dòng)力艙內(nèi)空氣流速分布不均勻，在水平方向上越靠近動(dòng)力艙尾部，空氣流速越高；同時(shí)由于散熱器、變速箱和行星轉(zhuǎn)向機(jī)等部件的阻礙作用，空氣從進(jìn)氣百葉窗進(jìn)入流進(jìn)散熱器等部件后流速下降明顯，并且在變速箱右側(cè)發(fā)生了空氣回流的現(xiàn)象；

b) 散熱器冷側(cè)空氣流速分布不均勻且變化幅度較大，熱側(cè)冷卻液流速分布較為均勻且變化幅度小，散熱器冷側(cè)空氣流速分布不均勻性導(dǎo)致了其散熱能力的不均勻性，具體表現(xiàn)為在散熱器前兩個(gè)流程整體冷卻散熱效果好，第三流程的冷卻散熱效果差；

c) 散熱器位置高度對空氣流動(dòng)與傳熱有顯著影響：散熱器高度每增加20 mm，流進(jìn)散熱器的空氣流量平均增加0.523 m3/s，平均增幅為7.32%，散熱器的散熱量平均增加11.43 kW，平均增幅為3.69%。