基于一維/三維耦合仿真的某款拖拉機散熱系統(tǒng)分析

鄭站強 ，李 強 ，謝普康 3，，邢首辰

（1.洛陽拖拉機研究所有限公司，河南 洛陽 471039；2.洛陽中收機械裝備有限公司，河南 洛陽 471039；3.拖拉機動力系統(tǒng)國家重點實驗室，河南 洛陽 471039）

拖拉機作為提供牽引和動力輸出的通用動力機械，主要用于完成犁耕等農(nóng)田作業(yè)、各種土石方工程作業(yè)、運輸作業(yè)和固定作業(yè)[1]。其工作種類繁多，工作環(huán)境惡劣，同時工作車速較低，這些都對其散熱系統(tǒng)提出很高的要求，而散熱系統(tǒng)作為保證拖拉機可靠工作的重要部件，其主要任務(wù)就是把發(fā)動機、傳動系統(tǒng)、空調(diào)等產(chǎn)生的熱量散發(fā)到周圍的空氣中，保持拖拉機工作在最佳溫度環(huán)境中。

目前對散熱系統(tǒng)的仿真有2種方法：一維仿真和三維CFD仿真。一維仿真常用的工具有AMESIM和KULI，其主要優(yōu)點就是求解速度快，能夠快速評估多種不同方案，缺點就是風的流動只能是單向，不能考慮機罩和散熱器空間布置的影響。三維CFD仿真常用的工具有FLUENT、Star CCM+等，其對風的流動考慮比較詳細，能克服一維仿真中風只能單向流動的缺點，但是求解消耗的資源比較多，特別是求解換熱問題[2]。

本文采用一維和三維聯(lián)合仿真，來對某款拖拉機的散熱系統(tǒng)進行分析，充分發(fā)揮兩種方法的優(yōu)點——采用CFD軟件Star CCM+計算通過各個散熱器的風量（仿真中不考慮換熱），利用得到的風量作為邊界條件使用一維軟件AMESIM對散熱系統(tǒng)進行換熱計算。

1 散熱系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

該型拖拉機的散熱系統(tǒng)是由水散熱器、中冷器、空調(diào)冷凝器和風扇組成。表1列出了散熱系統(tǒng)各元件的尺寸，其在機罩中的布置形式如圖1，為3排結(jié)構(gòu)，位于最前面的為空調(diào)冷凝器，然后是中冷器、水箱和風扇，風扇為吸風式風扇。

表1 散熱系統(tǒng)元件Tab.1 Components of cooling system

供應(yīng)商提供了部件的性能試驗檢測報告，其中包括元件的內(nèi)部阻力、外部阻力以及熱交換性能數(shù)據(jù)，表2給出了水散熱器散熱性能數(shù)據(jù)，其他的元件類似，不再列出。

2 散熱器風量的確定

采用三維CFD軟件Star CCM+建立包括拖拉機散熱系統(tǒng)、機罩、駕駛室、發(fā)動機等完整的拖拉機外場風洞仿真模型。模型采用trimmer網(wǎng)格進行劃分，網(wǎng)格尺寸根據(jù)零件尺寸和計算域確定，并在關(guān)注的拖拉機散熱系統(tǒng)部位進行加密，如圖2所示。

表2 水散熱器性能試驗數(shù)據(jù)Tab.2 Performance test data of radiator

風扇建立真實的葉片（見圖2），使用MRF（Moving Reference Frame）模型進行模擬，散熱器采用多孔介質(zhì)模型，其黏性阻力系數(shù)和慣性阻力系數(shù)按照公式（1）進行計算。

式中：Δp——單位長度風阻，Pa/m；Pi——慣性阻力系數(shù)，kg/m^4；Pv——黏性阻力系數(shù)，kg/（m×s）；v——流速，m/s。

按照公式1和散熱器性能試驗數(shù)據(jù)中的阻力-流量數(shù)據(jù)，計算得到各個散熱器的慣性阻力系數(shù)和黏性阻力系數(shù)如表3。

表3 散熱器阻力系數(shù)Tab.3 Radiator resistance factor

2.1 計算結(jié)果

由于拖拉機機艙內(nèi)的空氣流動速度較小，仿真采用不可壓縮的理想氣體作為流動介質(zhì)，入口邊界為Stagation Inlet，出口邊界為Pressure Outlet，流動介質(zhì)的初始溫度為40℃，仿真采用穩(wěn)態(tài)計算，計算步長為2 000。圖3給出了流經(jīng)散熱器的速度矢量，由圖中可以看出有大量的空氣是通過水散熱器與中冷器中間的縫隙進入到水散熱器中，這種情況在一維仿真中是無法模擬的，這體現(xiàn)了三維CFD模型對拖拉機散熱系統(tǒng)外流場進行模擬的優(yōu)點，可以精確考慮機罩、散熱器空間布置等對空氣流動的影響。表4列出了流經(jīng)各個散熱器的空氣量，通過水散熱器的空氣量要大于中冷器和冷凝器的空氣量的總和。

表4 通過散熱器空氣量Tab.4 Amount of air passing through the radiator

3 散熱器熱平衡計算

使用AMESIM的Heat Exchangers Assembly Tool建立包括水散熱器、中冷器和冷凝器在內(nèi)的拖拉機散熱系統(tǒng)仿真分析模型，如圖4所示。使用heat exchanger gas gas和hear exchanger liq gas模型來建立中冷器、水散熱器和空調(diào)冷凝器，這些散熱器放在同一個Heat stack通道中，模型中不再建立風扇模型，取而代之的是直接給定通過Heat stack的冷卻風量（風量由CFD仿真得到）。

3.1 散熱器流動阻力系數(shù)確定

通過散熱器的冷卻風量與其阻力有關(guān)，阻力越大流過的空氣越少，流量阻力特性由公式（2）確定。

式中：ΔP——通過散熱器的壓降，即阻力，Pa；K——散熱器壓降系數(shù)；ρ——空氣密度，kg/m3；v——空氣流速，m/s。

由于仿真模型中沒有建立風扇，通過各個散熱器的冷卻風量由CFD仿真計算得到，調(diào)整各個散熱器的流動阻力系數(shù)K，讓流過風量滿足表4。具體調(diào)整過程如下：設(shè)置各個散熱器不進行熱交換；設(shè)定通過Heat stack的空氣溫度為40℃（CFD仿真一致），風量為通過水散熱器的風量2.653 5 kg/s；不斷調(diào)整中冷器和空調(diào)冷凝器的阻力系數(shù)K，使通過各個散熱器的空氣量與表4一致。調(diào)整的各個散熱器的外部流動阻力系數(shù)如表5。

表5 散熱器阻力系數(shù)Tab.5 Radiator resistance factor

3.2 散熱器散熱量確定

該型拖拉機散熱系統(tǒng)的散熱量由兩部分組成：發(fā)動機（水散熱器和中冷器）和駕駛室空調(diào)（空調(diào)冷凝器）。發(fā)動機的散熱量一般可以通過經(jīng)驗公式估算和臺架試驗確定，為了精確得到水散熱器和中冷器的散熱量，本文是在發(fā)動機環(huán)境倉（便于控制環(huán)境溫度），通過臺架試驗測得，試驗現(xiàn)場如圖5。

試驗時設(shè)定的環(huán)境溫度為40℃，得到的發(fā)動機換熱邊界條件如下表6，其中空調(diào)冷凝器很難組織試驗，本文采用的是某國際知名咨詢公司的經(jīng)驗數(shù)據(jù)。

表6 散熱器換熱邊界條件Tab.6 Heat transfer boundary of radiator

3.3 計算結(jié)果

空調(diào)冷凝器的換熱過程涉及到冷凝劑的相變，換熱過程比較復雜，同時對拖拉機散熱系統(tǒng)的分析并不關(guān)注冷凝器，故在本次分析中冷凝器主要作為熱源加熱冷卻空氣，同時為散熱系統(tǒng)空氣的流動提供阻力。按照表6給定AMESIM模型中各個散熱器的換熱邊界條件，設(shè)定通過Heat stack的初始空氣溫度為40℃，空氣流量為2.653 5 kg/s，對散熱系統(tǒng)的熱平衡進行仿真，計算時間為5 000 s（設(shè)定足夠長的時間，保證散熱器達到穩(wěn)定狀態(tài)），得到的水散熱器和中冷器的熱平衡數(shù)據(jù)如表7。

表7 散熱器熱平衡數(shù)據(jù)Tab.7 Heat balance data of radiator

4 更改方案

由上面的仿真結(jié)果可知，中冷器的中冷后溫度偏高，一般中冷后的溫度不高于環(huán)境溫度30℃即70℃（仿真中環(huán)境溫度為40℃）。為了降低中冷后溫度采取兩種方案：①增加通過散熱器的風量；②把布置在中冷器前的冷凝器下移，減小中冷器前空氣的阻力。

4.1 計算結(jié)果

加大通過散熱器的冷卻風量，可以采用增加風扇轉(zhuǎn)速或者加大風扇直徑的方法。增加風扇轉(zhuǎn)速需要調(diào)整發(fā)動機皮帶輪的直徑，而這還會對發(fā)動機的其他附件造成影響，故本文采用相對簡單的方法——增加風扇直徑，把風扇的直徑由500 mm調(diào)整為530 mm。方案二在風扇直徑調(diào)整為530 mm的同時，空調(diào)冷凝器下移200 mm，可降低中冷器空氣阻力。

采用CFD方法對兩種方案該款拖拉機的散熱系統(tǒng)的外流場進行計算，列出了調(diào)整后的流經(jīng)各個散熱器的空氣量，如表8。

表8 調(diào)整后各個散熱風量Tab.8 Air volume of each heat dissipation after adjustment

按照上述的步驟，調(diào)整AMESIM模型中散熱器的阻力系數(shù)K，使通過各個散熱器的冷卻風量滿足表8，更改風量后的水散熱器和中冷器的熱平衡結(jié)果見表9。

5 結(jié)論

表9 更改后散熱器熱平衡數(shù)據(jù)Tab.9 Heat balance data of modified radiator

采用一維和三維耦合的方法對散熱系統(tǒng)進行仿真，充分發(fā)揮兩種方法的優(yōu)點，使用Star CCM+對通過散熱器的冷卻風量進行精確計算，在AMESIM中快速評估散熱系統(tǒng)的熱平衡。使用這種方法對某款拖拉機的散熱系統(tǒng)進行仿真，同時采取了兩種方案對散熱系統(tǒng)進行優(yōu)化更改，使其基本滿足了使用要求。