工程機(jī)械分離式冷卻系統(tǒng)流動傳熱數(shù)值仿真

傅佳宏，俞小莉，劉震濤，黃鈺期

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工程機(jī)械分離式冷卻系統(tǒng)流動傳熱數(shù)值仿真

傅佳宏，俞小莉，劉震濤，黃鈺期

(浙江大學(xué)能源工程學(xué)院，浙江杭州，310027)

采用計(jì)算流體力學(xué)(CFD)和數(shù)值傳熱學(xué)(NHT)方法對工程機(jī)械分離式冷卻系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)值仿真分析，利用三維實(shí)體風(fēng)扇和熱交換器模型構(gòu)建4種分離式冷卻系統(tǒng)模型，并進(jìn)行流動傳熱和風(fēng)扇匹配特性分析。研究結(jié)果表明：在相同熱交換器布置形式下，吸風(fēng)式風(fēng)扇方案功耗更低；在相同風(fēng)扇形式下，熱交換器正交布置方案流動傳熱性能更優(yōu)；最后，采用冷卻系統(tǒng)性能系數(shù)()以及匹配特性曲線對這4種分離式冷卻系統(tǒng)進(jìn)行綜合性能分析，可知吸風(fēng)式風(fēng)扇、熱交換器正交布置方案最節(jié)能。

分離式冷卻系統(tǒng)；流動傳熱；數(shù)值仿真；熱交換器；風(fēng)扇

在傳統(tǒng)工程機(jī)械中，冷卻系統(tǒng)與發(fā)動機(jī)都布置在同一艙中，冷卻風(fēng)扇由發(fā)動機(jī)驅(qū)動，熱交換器均以串聯(lián)的方式布置在風(fēng)扇軸線上。然而，隨著發(fā)動機(jī)功率密度的提高，增壓中冷等技術(shù)的應(yīng)用使冷卻系統(tǒng)中熱交換器的數(shù)量、尺寸以及熱負(fù)荷不斷提高，風(fēng)扇功耗不斷增加，但仍無法滿足日益增加的散熱需求。在這種情況下，傳統(tǒng)冷卻系統(tǒng)布置形式下多熱交換器的不斷疊加不僅造成熱交換器之間互相干擾，換熱效率低下，且使冷卻空氣側(cè)阻力急劇增加，增加了風(fēng)扇直徑與功耗。另外，動力艙有限空間內(nèi)各個(gè)部件的互相干擾也使流動組織更困難，不僅增加了風(fēng)扇阻力[1?2]，還易造成熱風(fēng)回流[3]，進(jìn)一步降低冷卻系統(tǒng)效率，增加風(fēng)扇功耗。近年來，分離式冷卻系統(tǒng)越來越多地應(yīng)用于國外大型工程機(jī)械產(chǎn)品以及國內(nèi)軍用特種車輛中，韓松等[4]也提出了類似設(shè)計(jì)，該新型冷卻系統(tǒng)把熱交換器、冷卻風(fēng)扇、導(dǎo)風(fēng)罩等分離形成相對獨(dú)立于動力艙的散熱艙，以減少流動干擾、增加熱交換器迎風(fēng)面積。但目前對于分離式冷卻系統(tǒng)的研究工作還處于起步階段，較多的研究都集中在傳統(tǒng)串聯(lián)式散熱模塊上，呂鋒等[5?7]開展了間距、密封性及多風(fēng)扇系統(tǒng)對車用散熱器模塊性能影響的風(fēng)洞試驗(yàn)研究；HALLQVIST[8]通過數(shù)值模擬研究了車輛動力艙內(nèi)各個(gè)部件對散熱器模塊流動與傳熱的影響，而對于工程機(jī)械新型分離式冷卻系統(tǒng)的相關(guān)研究以及相應(yīng)的設(shè)計(jì)計(jì)算分析的文獻(xiàn)報(bào)道較少。因此，本文作者通過計(jì)算流體力學(xué)(CFD)和數(shù)值傳熱學(xué)(NHT)方法建立不同結(jié)構(gòu)形式的分離式冷卻系統(tǒng)計(jì)算模型，采用CFD和NHT方法進(jìn)行數(shù)值仿真分析，研究其流動傳熱變化規(guī)律，比較不同分離式冷卻系統(tǒng)在工程應(yīng)用中的優(yōu)劣，為分離式冷卻系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)匹配提供參考。

1 冷卻系統(tǒng)數(shù)值仿真模型

1.1 熱交換器模型

熱交換器阻力特性采用多孔介質(zhì)模擬，多孔介質(zhì)參數(shù)主要通過試驗(yàn)擬合得到或根據(jù)翅片的結(jié)構(gòu)參數(shù)根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算得到，文中所用散熱器翅片為平直翅片，因此，采用以下試驗(yàn)擬合式[9]進(jìn)行計(jì)算：

式中：為熱交換器的摩擦因數(shù)；h為翅片高；為翅片厚度；d為沿流向翅片長度；c為翅片通道的水力直徑；為翅片通道雷諾數(shù)。

按照上述經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算各流速下的因子，推出散熱器壓力損失Δ與流速之間的關(guān)系，再根據(jù)改進(jìn)型達(dá)西公式進(jìn)行多項(xiàng)式擬合[10]，即

式中：為動力黏度，kg/(m?s)；u為流速，m/s；?1為黏性阻力系數(shù)，m?2；為流體密度；2為慣性阻力系數(shù)，m?2。?1和2即為多孔介質(zhì)模型的主要參數(shù)。

熱交換器傳熱特性采用商用軟件Fluent的熱交換器模型[10]進(jìn)行模擬，該方法采用六面體網(wǎng)格將熱交換器區(qū)域離散成×個(gè)子熱交換器單元，對每個(gè)熱交換器單元采用效能?傳熱單元數(shù)法進(jìn)行一維熱平衡計(jì)算，從而得到整個(gè)熱交換器的溫度場分布與換熱量。熱交換器冷卻空氣側(cè)數(shù)據(jù)來自三維數(shù)值仿真，熱側(cè)流體數(shù)據(jù)來自熱交換器一維性能仿真，熱交換器區(qū)域與冷卻空氣側(cè)流體區(qū)域之間采用非正則網(wǎng)格進(jìn)行數(shù)據(jù)傳遞與交換。

1.2 風(fēng)扇模型及實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

采用MRF(Markov random field)算法進(jìn)行風(fēng)扇性能仿真，該方法在風(fēng)扇流體區(qū)域建立多重參考坐標(biāo)系，坐標(biāo)系能夠隨著流體的旋轉(zhuǎn)而不斷重建。紊流模型采用RNG?模型。根據(jù)文獻(xiàn)[11?13]建立虛擬風(fēng)洞，進(jìn)行風(fēng)扇性能數(shù)值模擬。其中，風(fēng)洞直徑為1/2導(dǎo)風(fēng)罩與風(fēng)扇直徑之和，風(fēng)扇入口段為4倍風(fēng)洞直徑，出口段為6倍風(fēng)洞直徑。

圖1所示為風(fēng)扇網(wǎng)格，為了更好地模擬風(fēng)扇的流動特性，在其幾何葉形處進(jìn)行網(wǎng)格加密，風(fēng)扇區(qū)域網(wǎng)格總數(shù)為372萬。

圖1 軸流風(fēng)扇網(wǎng)格

圖2所示為風(fēng)扇氣動性能實(shí)驗(yàn)值與仿真值對比圖。由圖2可以看出：在風(fēng)扇工作范圍內(nèi)，實(shí)驗(yàn)值與仿真值吻合較好，且趨勢一致，其最大相對誤差約為5%。分析其原因，在風(fēng)扇數(shù)值仿真中，MRF模型是對風(fēng)扇流場的穩(wěn)態(tài)近似模擬，另外仿真模型考慮導(dǎo)風(fēng)罩對于風(fēng)扇的影響，因此，仿真值略低于實(shí)驗(yàn)值。

1—實(shí)驗(yàn)值；2—仿真值。

1.3 分離式冷卻系統(tǒng)模型

構(gòu)建分離式冷卻系統(tǒng)數(shù)值仿真模型，研究在相同散熱艙體結(jié)構(gòu)下，散熱器布置位置、風(fēng)扇形式等對散熱器性能的影響，形成4種分離式冷卻系統(tǒng)方案，分別是散熱器平行布置吸風(fēng)式風(fēng)扇(A)，散熱器平行布置吹風(fēng)式風(fēng)扇(B)，散熱器正交布置吸風(fēng)式風(fēng)扇(C)以及散熱器正交布置吹風(fēng)式風(fēng)扇(D)。4種分離式冷卻系統(tǒng)配置方案如圖3所示。

(a) 方案A：散熱器對置布置吸風(fēng)式風(fēng)扇；(b) 方案B：散熱器對置布置吹風(fēng)式風(fēng)扇；(c) 方案C：散熱器正交布置吸風(fēng)式風(fēng)扇；(d) 方案D：散熱器正交布置吹風(fēng)式風(fēng)扇

設(shè)置統(tǒng)一數(shù)值仿真邊界條件，中冷器熱空氣側(cè)流量為0.36 kg/s，進(jìn)口溫度為170 ℃；水散熱器液側(cè)流量為5 kg/s，進(jìn)口溫度為85 ℃；冷卻空氣設(shè)置為理想不可壓縮氣體，空氣密度變化只與溫度有關(guān)，進(jìn)口溫度為30 ℃，進(jìn)出口表壓為0 Pa。

幾何模型采用Hypermesh進(jìn)行網(wǎng)格劃分，采用Fluent商業(yè)軟件、基于壓力的耦合求解器進(jìn)行控制方程的數(shù)值求解。在32CPU，64 G內(nèi)存，2 T硬盤工作站上進(jìn)行計(jì)算，冷態(tài)仿真模型約2 h收斂，熱態(tài)仿真約8 h收斂。

2 分離式冷卻系統(tǒng)仿真結(jié)果分析

2.1 風(fēng)扇功耗分析

對風(fēng)扇葉形進(jìn)行受力分析，對風(fēng)扇面網(wǎng)格上軸向主受力方向進(jìn)行矢量疊加，得到風(fēng)扇扭矩信息，根據(jù)以下公式得到風(fēng)扇功耗與風(fēng)扇功率系數(shù)(量綱一的量)，分別代表風(fēng)扇功耗與風(fēng)扇作功能力。

式中：為風(fēng)扇轉(zhuǎn)速，r/min；為風(fēng)扇扭矩，N·m；為風(fēng)扇側(cè)面面積，m2；為風(fēng)扇圓周速度，m/s。

圖4所示為風(fēng)扇功耗曲線與風(fēng)扇功率系數(shù)曲線。從圖4可以看出：方案C中風(fēng)扇具有最高的作功能力與最低的風(fēng)扇功耗。為了對比分析不同結(jié)構(gòu)冷卻系統(tǒng)的具體流動狀態(tài)，取風(fēng)扇轉(zhuǎn)速為1.8×103r/min時(shí)的流場和壓力計(jì)算結(jié)果進(jìn)行分析，速度云圖和壓力云圖如圖5和圖6所示。從圖5和圖6可以看出：方案C中的艙體內(nèi)流線最為均勻且沒有明顯的渦流，冷卻空氣通過熱交換器之后在艙體遠(yuǎn)端進(jìn)行交匯，熱交換器之間互相干擾相對較小。因此，風(fēng)扇所處的流動狀態(tài)更好，風(fēng)扇功耗更低，作功能力更強(qiáng)。

(a)風(fēng)扇功耗曲線；(b)風(fēng)扇功率系數(shù)曲線1—方案A；2—方案B；3—方案C；4—方案D。

(a) 方案A；(b) 方案B；(c) 方案C；(d) 方案D

(a) 方案A；(b) 方案B；(c) 方案C；(d) 方案D

2.2 分離式冷卻系統(tǒng)匹配分析

圖7所示為分離式冷卻系統(tǒng)匹配曲線。從圖7可以看出：對比吹風(fēng)式方案與吸風(fēng)式方案，吸風(fēng)式方案A和方案C更合理，其系統(tǒng)阻力曲線更平順，風(fēng)扇的運(yùn)行更穩(wěn)定，而吹風(fēng)式方案B和方案D中存在工況突變點(diǎn)，分析其原因，吹風(fēng)式方案中艙體內(nèi)部冷卻空氣流動較為紊亂，而風(fēng)扇運(yùn)行狀態(tài)與艙體內(nèi)冷卻空氣的流動狀態(tài)互相耦合，更穩(wěn)定的冷卻空氣流動能保證風(fēng)扇的運(yùn)行狀態(tài)更為穩(wěn)定，增加系統(tǒng)可靠性。

1—1 400 r/min；2—1 800 r/min；3—2 000 r/min；4—2 200 r/min；5—方案A；6—方案B；7—方案C；8—方案D。

從圖7還可知：在相同吸風(fēng)式方案中，熱交換器之間的相對位置是風(fēng)扇工作點(diǎn)改變的主要原因。在熱交換器正交布置的方案C中，風(fēng)扇的工作點(diǎn)更理想，在相同的風(fēng)扇轉(zhuǎn)速下，系統(tǒng)具有更小的流動阻力，更大的冷卻風(fēng)量。

2.3 傳熱性能分析

從風(fēng)扇功耗以及冷卻系統(tǒng)匹配分析中可以看出：吹風(fēng)式風(fēng)扇并不適用于分離式冷卻系統(tǒng)，因此，主要分析吸風(fēng)式方案中熱交換器的傳熱性能。圖8所示為分離式冷卻系統(tǒng)換熱量曲線。

1—方案A，水散熱器；2—方案C，水散熱器；3—方案A，中冷器；4—方案C，中冷器。

從圖8可以看出：與流動分析結(jié)果一致，在冷卻風(fēng)量更高的方案C中，熱交換器的傳熱能力也更強(qiáng)，與傳統(tǒng)串聯(lián)式散熱模塊不同，在分離式冷卻系統(tǒng)中，各熱交換器之間相對獨(dú)立，冷卻空氣同時(shí)從外界環(huán)境進(jìn)入熱交換器，可忽略冷卻空氣通過某個(gè)熱交換器之后冷卻空氣溫升對另一個(gè)熱交換器傳熱性能的影響。

但是過大的分離式冷卻系統(tǒng)空間會造成空間布置方面的問題，因此，在今后的研究中，分離式散熱系統(tǒng)的空間結(jié)構(gòu)優(yōu)化也是重要課題，在控制散熱艙體積的前提下需要盡可能減小熱交換器之間的互相干擾。

2.4 綜合性能分析

為了使上述分離式冷卻系統(tǒng)的分析結(jié)果更具有普適性，綜合分析分離式冷卻系統(tǒng)中風(fēng)扇功耗，風(fēng)扇形式與熱交換器傳熱能力之間的關(guān)系，本文選取性能系數(shù)(量綱一的量)，即相同風(fēng)扇轉(zhuǎn)速下系統(tǒng)總換熱量與風(fēng)扇功耗的比(/)[14]作為分離式冷卻系統(tǒng)的綜合性能評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)。評價(jià)結(jié)果如圖9所示。

1—方案A；2—方案B；3—方案C；4—方案D。

由圖9可知：與前述分析結(jié)果一致，采用吸風(fēng)式風(fēng)扇的分離式冷卻系統(tǒng)比吹風(fēng)式方案的系統(tǒng)好，在采用相同吸風(fēng)式方案的分離式冷卻系統(tǒng)中，熱交換器正交布置方案比熱交換器對置布置方案好。

當(dāng)以性能系數(shù)(量綱一的量)作為評價(jià)指標(biāo)時(shí)，可很好地反映系統(tǒng)性能的影響因素，在本文研究的分離式冷卻系統(tǒng)中風(fēng)扇形式是影響性能的主要因素；在相同風(fēng)扇形式下，則其傳熱性能主要受熱交換器之間相對位置的影響。

通過性能系數(shù)(量綱一的量)評價(jià)，本文得到結(jié)論，綜合考慮風(fēng)扇形式，風(fēng)扇功耗與散熱器傳熱能力，方案C，即采用吸風(fēng)式風(fēng)扇、熱交換器正交布置的分離式冷卻系統(tǒng)方案最為節(jié)能。但是該最優(yōu)方案是在特定風(fēng)扇，特定熱交換器的比較中得出的，其適用性有待進(jìn)一步探索研究。

3 結(jié)論

1) 在4種分離式冷卻系統(tǒng)中，從風(fēng)扇功耗角度分析，吹風(fēng)式風(fēng)扇作功能力較低，且風(fēng)扇功耗較大，不宜采用吹風(fēng)式風(fēng)扇。

2) 在冷卻風(fēng)扇與4種分離式冷卻系統(tǒng)的匹配分析中發(fā)現(xiàn)方案C中風(fēng)扇與冷卻系統(tǒng)的匹配最好，此時(shí)系統(tǒng)阻力最小，冷卻風(fēng)量最大。

3) 在4種分離式冷卻系統(tǒng)的傳熱性能中發(fā)現(xiàn)傳熱性能與流動性能具有一致性，分離式冷卻系統(tǒng)中熱交換器之間的流動傳熱干擾較小，因此冷卻空氣側(cè)流動性能較好的方案具有較好的傳熱能力。

4) 采用性能系數(shù)(量綱一的量)對4種分離式冷卻系統(tǒng)方案進(jìn)行性能評價(jià)，評價(jià)結(jié)果能綜合反映各因素對于分離式冷卻系統(tǒng)性能的影響。方案C，即采用吸風(fēng)式風(fēng)扇，熱交換器正交布置的分離式冷卻系統(tǒng)方案為最節(jié)能方案。

5) 分離式冷卻系的最大優(yōu)點(diǎn)是系統(tǒng)進(jìn)出口都為大氣環(huán)境，沒有發(fā)動機(jī)、排氣管等額外部件的阻擋，相比傳統(tǒng)串聯(lián)結(jié)構(gòu)散熱模塊，分離式冷卻系統(tǒng)熱交換器之間的互相干擾更小，換熱效率更高。

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(編輯 劉錦偉)

Numerical study of flow and heat transfer on construction machinery detached vehicular cooling system

FU Jiahong, YU Xiaoli, LIU Zhentao, HUANG Yuqi

(School of Energy Engineering, Zhejiang University, Hangzhou 310027, China)

Computational fluid dynamics (CFD) and numerical heat transfer (NHT) study of flow and heat transfer on construction machinery detached cooling system were presented. Four detached cooling system numerical models were created by three-dimensional entity fan and heat exchanger models, and the analyses of fluid flow and heat transfer as well as fan matching were carried out. The results show that with the same heat exchangers’ arrangement, the scheme with induced fan has a lower power consumption; with the same fan configuration, the scheme with orthogonal heat exchangers has a better thermal performance. Finally, the comprehensive performances of these 4 detached cooling systems were evaluated with the coefficient of performance (/) and the matching curves of cooling system, so the schemes with induced fan or orthogonal heat exchangers is the most energy saving one.

detached vehicular cooling system; flow and heat transfer; numerical simulation; heat exchanger; fan

10.11817/j.issn.1672-7207.2016.06.040

TK424.3

A

1672?7207(2016)06?2119?06

2015?06?21；

2015?08?03

國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51206141)(Project(51206141) supported by the National Natural Science Foundation of China)

黃鈺期，副教授，從事車輛相關(guān)計(jì)算流體力學(xué)研究；E-mail：huangyuqi@zju.edu.cn