李勝凱,桂 勇,魯 俊
(1.陸軍裝甲兵學(xué)院 車輛工程系,北京 100072; 2.61150部隊(duì),陜西 榆林 719000)
動(dòng)力艙作為裝備的“核心”部位,主要由冷卻系統(tǒng)、動(dòng)力傳動(dòng)裝置和進(jìn)排氣系統(tǒng)等部件組成。隨著發(fā)動(dòng)機(jī)率的不斷提升,電機(jī)、電器等新熱源的加入和動(dòng)力艙“先進(jìn)集成設(shè)計(jì)”的布置,導(dǎo)致動(dòng)力艙內(nèi)工作熱負(fù)荷提升、環(huán)境溫度較為惡化,對(duì)冷卻系統(tǒng)的要求也越來越高[1-3]。
用隔板將散熱器和動(dòng)力傳動(dòng)部件之間的散熱風(fēng)道隔離方式稱為封閉式動(dòng)力艙。由于封閉式采用車外進(jìn)氣方式,沒有空氣進(jìn)入動(dòng)力傳動(dòng)裝置外壁面風(fēng)道,導(dǎo)致高溫部件表面熱量堆積,隨著溫度的不斷升高,對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的可靠性影響也較大,會(huì)使發(fā)動(dòng)機(jī)的使用壽命縮短、經(jīng)濟(jì)性也變差。
本文針對(duì)動(dòng)力艙建立三維模型,用CFD軟件仿真分析的方法進(jìn)行數(shù)值模擬。對(duì)于熱流場(chǎng)的流動(dòng)性差的問題,通過增寬動(dòng)力艙排氣縫,改變風(fēng)扇位置,在裝甲板上方進(jìn)行開孔安裝引氣風(fēng)扇等方法進(jìn)行仿真分析計(jì)算,得到最優(yōu)方案。以冷卻系統(tǒng)部件附近的排氣溫度、流速場(chǎng)、風(fēng)道的阻力作為主要評(píng)價(jià)指標(biāo),建立風(fēng)道熱流場(chǎng)綜合評(píng)價(jià)模型,為以后冷卻系統(tǒng)綜合評(píng)價(jià)提供借鑒和指導(dǎo)[4]。
用SolidWorks軟件對(duì)動(dòng)力艙按照實(shí)車比例建模,本文只考慮風(fēng)道,對(duì)幾何模型進(jìn)行簡(jiǎn)化,保留基本外形,對(duì)一些流動(dòng)影響較小的零部件和凹凸不平的部位進(jìn)行忽略。圖1是封閉式動(dòng)力艙的簡(jiǎn)圖。
圖1 封閉式動(dòng)力艙簡(jiǎn)圖
首先建立封閉動(dòng)力艙和外部計(jì)算域的一些物理模型,對(duì)各部件的結(jié)構(gòu)尺寸和空間位置進(jìn)行虛擬化,保留主要部件,對(duì)一些幾何尺寸小的和傳熱影響較小的部件進(jìn)行簡(jiǎn)化和省略。圖2是簡(jiǎn)化后的動(dòng)力艙三維計(jì)算模型。
圖2 動(dòng)力艙三維計(jì)算模型
本文主要對(duì)動(dòng)力艙風(fēng)道氣側(cè)的阻力與熱流場(chǎng)進(jìn)行分析,其內(nèi)流動(dòng)和傳熱較為復(fù)雜,可以假設(shè)艙內(nèi)空氣設(shè)定常流動(dòng)且不可壓縮,艙內(nèi)為湍流的流動(dòng)狀態(tài)并且和壁面進(jìn)行耦合換熱??刂品匠炭梢杂脻M足流體的連續(xù)性方程、動(dòng)量方程和能量方程這三大力學(xué)方程。湍流模型可以采用標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型,計(jì)算收斂性與精確性都符合工程計(jì)算方面要求。其公式如下:
湍流動(dòng)量方程:
(1)
湍流動(dòng)能耗散率方程:
(2)
式(1)中ρ是流體的密度;xi、xj是直角坐標(biāo)系的分量;k是湍流脈動(dòng)動(dòng)能;μ是流體分子粘度系數(shù);μi是湍流粘性系數(shù);ε是湍流耗散率;σk是對(duì)x的普朗特?cái)?shù);c1ε、c2ε為常系數(shù);σε是對(duì)ε的普朗特?cái)?shù);Gk是由于時(shí)均速度梯度產(chǎn)生的k的增量,且有:
(3)
由于計(jì)算模型相對(duì)復(fù)雜,其各部件具有不同的流動(dòng)狀況,所以采用軟件CFD將計(jì)算區(qū)域進(jìn)行網(wǎng)格劃分,綜合計(jì)算機(jī)性能與計(jì)算精度,最終可以確定外流場(chǎng)的大小是4500×4000×2500mm,可采用網(wǎng)格結(jié)構(gòu)化劃分,對(duì)于內(nèi)流場(chǎng)與裝甲板固體域采用網(wǎng)格非結(jié)構(gòu)化劃分,這樣可以去適應(yīng)內(nèi)部復(fù)雜形狀,最終網(wǎng)格數(shù)量為26853451個(gè)。圖3是動(dòng)力艙計(jì)算區(qū)域網(wǎng)格劃分圖。
圖3 動(dòng)力艙計(jì)算區(qū)域網(wǎng)格劃分圖
可采用速度作為外流場(chǎng)入口的邊界條件,采用壓力作為出口邊界,在計(jì)算區(qū)域的頂部和左、右側(cè),可設(shè)置對(duì)稱的邊界條件,這樣獲得好的收斂效果,對(duì)封閉動(dòng)力艙裝甲板壁面作為固體面邊界條件,用流固耦合傳熱的方法將裝甲板內(nèi)外壁面作為內(nèi)部條件,采用第一類熱邊界條件[5]。
熱通量計(jì)算公式如下:
q=hf(Tw-Tf)+qrad.
(4)
其中hf為流體的熱傳導(dǎo)系數(shù);Tw為壁面給定的溫度;Tf為流體的溫度;qrad為輻射熱通量。
本文給工況為:車速是72km/h,發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速是2000r/min,油門開度是100%,環(huán)境溫度是300K,傳動(dòng)裝置處于最高排檔狀態(tài),冷卻風(fēng)扇轉(zhuǎn)速為4853r/min,進(jìn)排氣百葉窗和中冷氣百葉窗全開。
由圖4可看出封閉式散熱風(fēng)道內(nèi)的流速基本為零,主要是自然對(duì)流。這是因封閉式動(dòng)力艙主要采用車外進(jìn)氣方式,外壁面風(fēng)道沒有冷卻空氣進(jìn)入,僅尾裝甲板開有的一排氣縫,艙內(nèi)空氣無法流通。這會(huì)導(dǎo)致高溫部件表面積累溫度,無法帶走熱量。
圖4 動(dòng)力艙空氣流速場(chǎng)跡線圖
圖5是Z=1.8m截面處的溫度場(chǎng)云圖,由圖可看出溫度較高的區(qū)域是柴油機(jī)上方排氣管周圍區(qū)域,最高可達(dá)到700K,出現(xiàn)主要在排氣管壁面上。
圖5 Z=1.8截面處的溫度場(chǎng)云圖
圖6是Y=0.29m截面處溫度場(chǎng)云圖,該區(qū)域在排氣管正上方,且截面布置較為復(fù)雜,從截圖的上側(cè)到下側(cè)有空氣濾清器,增壓器,增壓器附件,水箱等部件,且離排氣管較近,導(dǎo)致區(qū)域溫度整體較高,應(yīng)予以關(guān)注。
圖6 Y=0.29m截面處溫度場(chǎng)云圖
通過本文的計(jì)算結(jié)果,動(dòng)力艙內(nèi)部溫度較高,且高溫部件表面熱量無通風(fēng)結(jié)構(gòu)帶走,會(huì)變成一個(gè)“死腔”。長(zhǎng)此以往,必會(huì)影響柴油機(jī)可靠性和電子元器件壽命,因此很有必要對(duì)動(dòng)力艙進(jìn)行結(jié)構(gòu)改進(jìn)。通過本文的溫度場(chǎng)和熱流場(chǎng)仿真分析,對(duì)下步的封閉動(dòng)力艙散熱風(fēng)道改進(jìn)提供了參考和指導(dǎo)。