自卸車發(fā)動(dòng)機(jī)艙內(nèi)熱流場(chǎng)分析及優(yōu)化

劉水長(zhǎng)　谷正氣　張　勇,　凡遵金

1.湖南工業(yè)大學(xué)，株洲，412007　　2.華南理工大學(xué),廣州,5106413.湖南大學(xué)汽車車身先進(jìn)設(shè)計(jì)制造國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,長(zhǎng)沙,410082

自卸車發(fā)動(dòng)機(jī)艙內(nèi)熱流場(chǎng)分析及優(yōu)化

劉水長(zhǎng)1,2谷正氣3張勇1,3凡遵金1

1.湖南工業(yè)大學(xué)，株洲，4120072.華南理工大學(xué),廣州,5106413.湖南大學(xué)汽車車身先進(jìn)設(shè)計(jì)制造國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,長(zhǎng)沙,410082

自卸車發(fā)動(dòng)機(jī)艙為半開放式，且艙內(nèi)散熱負(fù)荷大，為避免發(fā)動(dòng)機(jī)艙內(nèi)散熱不足、局部熱害等問(wèn)題，結(jié)合實(shí)車測(cè)試與CFD仿真方法分析了艙內(nèi)熱流場(chǎng)散熱特性，分析結(jié)果表明，發(fā)動(dòng)機(jī)艙內(nèi)風(fēng)扇罩上部邊緣處的回流和緊貼甲板的流動(dòng)會(huì)導(dǎo)致艙內(nèi)上部熱源散熱不足。在甲板上增加一組導(dǎo)流板,基于Kriging近似模型方法對(duì)其布局進(jìn)行優(yōu)化后,艙內(nèi)熱流場(chǎng)得到改善,流向上部熱源的冷卻氣流增加了13.8%,空氣溫度高于370 K的高溫區(qū)域顯著減小。

自卸車;發(fā)動(dòng)機(jī)艙流場(chǎng);散熱特性;Kriging近似模型

0　引言

車輛發(fā)動(dòng)機(jī)艙內(nèi)熱量富集且空間擁擠,容易產(chǎn)生散熱不足和局部熱害等問(wèn)題。

文獻(xiàn)[1-8]對(duì)某些車型的發(fā)動(dòng)機(jī)艙內(nèi)流場(chǎng)進(jìn)行了分析,提出了增加散熱器護(hù)風(fēng)板、合理布置進(jìn)氣格柵、增大風(fēng)扇與散熱器之間距離等措施，以提高艙內(nèi)流場(chǎng)散熱性能。上述研究針對(duì)的均是具有相對(duì)封閉結(jié)構(gòu)的發(fā)動(dòng)機(jī)艙內(nèi)熱流場(chǎng)的散熱問(wèn)題。重型礦用自卸車在煤礦與鐵礦運(yùn)輸中廣受青睞,其發(fā)動(dòng)機(jī)艙底部不封閉，具有半開式特點(diǎn)，因而艙內(nèi)熱流場(chǎng)結(jié)構(gòu)與散熱特性有別于相對(duì)封閉的發(fā)動(dòng)機(jī)艙。另外，重型礦用自卸車發(fā)動(dòng)機(jī)艙內(nèi)需散出的熱量遠(yuǎn)大于一般中小型車輛，且其作業(yè)時(shí)的較低行駛速度加大了艙內(nèi)廢熱排出難度,熱害更易發(fā)生。

本文基于CFD方法耦合計(jì)算了自卸車發(fā)動(dòng)機(jī)艙內(nèi)外流場(chǎng),針對(duì)艙內(nèi)熱流場(chǎng)結(jié)構(gòu)不合理問(wèn)題，加裝相應(yīng)導(dǎo)流裝置,并利用Kriging近似模型對(duì)導(dǎo)流裝置進(jìn)行優(yōu)化,充分發(fā)揮其導(dǎo)流作用,提高艙內(nèi)流場(chǎng)散熱性能。

1　物理模型與基礎(chǔ)理論

1.1物理模型

相比一般中小型車輛,自卸車車身龐大,為減小計(jì)算工作量,忽略對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)艙內(nèi)流場(chǎng)影響較小的后車身[9],只取含發(fā)動(dòng)機(jī)艙的前車身建立仿真幾何模型(圖1)。發(fā)動(dòng)機(jī)艙內(nèi)部零部件繁多，因此，在保證反映發(fā)動(dòng)機(jī)艙內(nèi)空氣真實(shí)流動(dòng)特性的前提下，對(duì)原始模型進(jìn)行適當(dāng)?shù)暮?jiǎn)化，保留高溫散熱器(發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻液散熱器)、低溫散熱器(中冷器)、冷凝器、液壓油冷卻器、燃油冷卻器、風(fēng)扇、發(fā)動(dòng)機(jī)等較大尺寸零部件,忽略一些對(duì)空氣流動(dòng)影響較小的水管、電線等，圖2所示為簡(jiǎn)化后的艙內(nèi)發(fā)動(dòng)機(jī)及散熱器模型。

圖1　自卸車前車身

圖2　發(fā)動(dòng)機(jī)及散熱器模型

1.2熱流場(chǎng)控制方程

仿真工況為自卸車怠速工況,此時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)艙的冷卻空氣大部分是由風(fēng)扇抽吸引入的。根據(jù)產(chǎn)品供應(yīng)商提供的產(chǎn)品數(shù)據(jù),換算得到發(fā)動(dòng)機(jī)艙入口的速度約為8.844 m/s，環(huán)境溫度為291.5 K。由于艙內(nèi)空氣流速相對(duì)聲速較低，流場(chǎng)可視為三維不可壓縮流場(chǎng)，因而，熱流場(chǎng)建模的基本方程如下:

(1)質(zhì)量守恒方程

·v=0

(1)

(2)動(dòng)量守恒

(2)

(3)能量守恒

·(ρ

(3)

式中,x、y、z為流場(chǎng)內(nèi)點(diǎn)的三個(gè)方向的坐標(biāo)值;v為空氣流速;u、v、w分別為三個(gè)坐標(biāo)橫方向的空氣流速的分量；ρ為空氣密度，本研究中為常量;p為空氣壓力;υ為空氣的動(dòng)力黏度;f為微元體所受的體積力;T為空氣溫度;cp為空氣質(zhì)量定壓熱容;Sτ為微元體能量源項(xiàng)。

2　仿真方案與驗(yàn)證

2.1計(jì)算域與網(wǎng)格劃分

計(jì)算域?yàn)榘抡鎺缀文Ｐ?圖1)的流場(chǎng)計(jì)算空間,其選取應(yīng)兼顧仿真精度與仿真效率,不宜過(guò)小也不宜過(guò)大。參考文獻(xiàn)[4],計(jì)算域各方向尺寸選取如下:模型前方留3倍模型長(zhǎng),后方留7倍模型長(zhǎng)，上方留5倍模型高，兩側(cè)均留5倍模型寬。

采用OCTREE方法在整個(gè)計(jì)算域內(nèi)生成非結(jié)構(gòu)化空間網(wǎng)格，在發(fā)動(dòng)機(jī)艙內(nèi)零部件結(jié)構(gòu)復(fù)雜或特征尺寸較小的曲面附近,將網(wǎng)格加密;在整個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)艙區(qū)域使用密度盒加密。整個(gè)計(jì)算域內(nèi)共劃分了1049.99萬(wàn)個(gè)計(jì)算網(wǎng)格,車身表面網(wǎng)格如圖3所示,發(fā)動(dòng)機(jī)艙內(nèi)零部件表面網(wǎng)格如圖4所示。

圖3　前車身表面網(wǎng)格

圖4　發(fā)動(dòng)機(jī)艙內(nèi)零件表面網(wǎng)格

2.2邊界條件

2.2.1散熱器

散熱器芯體由大量的散熱翅片和水管構(gòu)成，保留其幾何全尺寸細(xì)節(jié)進(jìn)行模擬需要耗費(fèi)大量計(jì)算資源和計(jì)算時(shí)間。因此，將散熱器視為多孔介質(zhì)[10],選用仿真軟件Fluent中的heat exchanger模型模擬其傳熱過(guò)程。在heat exchanger模型中,主要設(shè)置如下;模型的熱源強(qiáng)度設(shè)置以設(shè)定熱側(cè)流體入口溫度的方式實(shí)現(xiàn)，并在模型中設(shè)定熱側(cè)流體流動(dòng)路徑和空氣側(cè)阻力特性等。

2.2.2其他邊界條件

入口采用速度入口邊界，出口采用壓力出口邊界，風(fēng)扇采用fan邊界條件，發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)體、排氣歧管、油底殼等發(fā)熱部件的壁面設(shè)置為第一類邊界條件，即給定壁面溫度，其他為壁面為靜止wall邊界。

選用RNGk-ε兩方程湍流模型，采用有限容積法對(duì)控制方程進(jìn)行離散，離散方程組的壓力和速度耦合采用Simpile算法[4]。

2.3實(shí)驗(yàn)測(cè)試與驗(yàn)證

圖5　實(shí)車測(cè)試中的傳感器安裝

為驗(yàn)證以上仿真方案可行性,對(duì)該礦用自卸車實(shí)車進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)測(cè)試,采用溫度傳感器測(cè)試高低溫散熱器出口水溫,傳感器安裝如圖5所示。自卸車100%負(fù)載運(yùn)行約70 min后，停車轉(zhuǎn)為怠速工況,待高低溫散熱器進(jìn)出口水溫穩(wěn)定后,對(duì)實(shí)車進(jìn)行測(cè)試。根據(jù)進(jìn)出口水溫計(jì)算散熱器散熱功率，實(shí)驗(yàn)測(cè)試和仿真所得的高低溫散熱器散熱功率PExp、PSim如表1所示,高低溫散熱器的仿真值分別比實(shí)車測(cè)試值大4.3%和3.3%,仿真結(jié)果與實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果具有很好的一致性,該仿真方案可靠。

表1　散熱功率實(shí)驗(yàn)與仿真值　kW

3　發(fā)動(dòng)機(jī)艙內(nèi)熱流場(chǎng)分析

如圖1所示,x=0截面為自卸車發(fā)動(dòng)機(jī)艙的幾何對(duì)稱面，該截面穿過(guò)艙內(nèi)散熱器模塊、發(fā)動(dòng)機(jī)以及排氣管等熱源。x=0截面上的溫度分布如圖6所示。從圖6可以看出,發(fā)動(dòng)機(jī)艙內(nèi)上部熱源(排氣管和發(fā)動(dòng)機(jī)體上部分)附近,較大區(qū)域的溫度高于370 K,其他大部分區(qū)域溫度都在361 K以下。

圖6　x=0截面的溫度云圖

從圖7可見(jiàn),在風(fēng)扇罩的導(dǎo)向作用下，由發(fā)動(dòng)機(jī)艙前方進(jìn)入的大部分空氣流經(jīng)散熱器與風(fēng)扇之

(a)整體圖

(b)回流區(qū)域放大圖圖7　x=0 mm截面上的速度矢量圖

后，向后流向發(fā)動(dòng)機(jī)和排氣管等熱源部件。在風(fēng)扇罩上部邊緣附近，一小部分從風(fēng)扇罩中流出的空氣繞過(guò)風(fēng)扇罩邊緣向前回流，使得流向后方上部熱源的冷卻空氣減少。同時(shí)，該小部分空氣最終回流至散熱器前方，與來(lái)流匯合，再次流入散熱器，被循環(huán)加熱。另一方面，從風(fēng)扇流出的空氣，有一部分緊貼甲板向前流動(dòng)，而沒(méi)有流向上部熱源。因此,風(fēng)扇罩上部邊緣附近的回流和甲板附近緊貼甲板的流動(dòng),導(dǎo)致流向艙內(nèi)上部熱源空氣的流量不足和溫度上升,造成上部熱源散熱不足，熱量滯留,出現(xiàn)圖6所示的高溫區(qū)域。

4　發(fā)動(dòng)機(jī)艙內(nèi)熱流場(chǎng)優(yōu)化

4.1導(dǎo)流板結(jié)構(gòu)與布置

根據(jù)上述分析，為消除風(fēng)扇罩上部邊緣附近的回流和緊貼甲板的流動(dòng)，改善艙內(nèi)熱流場(chǎng)散熱性能，在自卸車甲板上加裝4個(gè)導(dǎo)流板,如圖8所示。導(dǎo)流板向下傾斜一定角度，以阻止氣流從風(fēng)扇罩上部邊緣回流并引導(dǎo)甲板附近空氣向下流動(dòng)。根據(jù)自卸車內(nèi)部空間結(jié)構(gòu)，確定導(dǎo)流板長(zhǎng)為2500 mm，寬為300 mm,1號(hào)和2號(hào)導(dǎo)流板的傾斜角度和距離可在一定范圍內(nèi)變化,3號(hào)和4號(hào)導(dǎo)流板只能以20°傾斜角度安裝在圖8所示位置。為最大限度發(fā)揮導(dǎo)流板流場(chǎng)改善作用,采用Kriging模型[11]對(duì)1號(hào)和2號(hào)導(dǎo)流板的安裝角度以及它們之間的距離進(jìn)行優(yōu)化。優(yōu)化要素包括風(fēng)扇罩附近1號(hào)導(dǎo)流板傾斜角θ1、2號(hào)導(dǎo)流板的傾斜角θ2,兩個(gè)導(dǎo)流板之間的距離L,如圖8所示。

(a)各導(dǎo)流板位置

(b)優(yōu)化要素圖8　改進(jìn)后模型

受艙內(nèi)零部件布局限制,各優(yōu)化要素的取值范圍為:0°<θ1<20°,0°<θ2<90°,300 mm

4.2基于Kriging近似模型的導(dǎo)流板優(yōu)化

根據(jù)優(yōu)化拉丁方法[11]確定20個(gè)樣本點(diǎn),并對(duì)各樣本點(diǎn)的艙內(nèi)外流場(chǎng)進(jìn)行耦合仿真,獲得流向發(fā)動(dòng)機(jī)艙內(nèi)上部熱源的空氣流量,根據(jù)20個(gè)樣本點(diǎn)及其流量建立Kriging近似模型。為了檢驗(yàn)近似模型的擬合精度,選取任意5個(gè)樣本點(diǎn)進(jìn)行驗(yàn)證,結(jié)果如表2所示。從表2可以看出,采用近似模型的計(jì)算結(jié)果與直接應(yīng)用CFD軟件的計(jì)算結(jié)果非常接近,最大誤差為2.47%,表明采用此近似模型代替CFD仿真計(jì)算是可行的。

表2　近似模型驗(yàn)證

在建立近似模型的基礎(chǔ)上,采用多島遺傳算法對(duì)模型進(jìn)行尋優(yōu),優(yōu)化所得各要素最佳值為:θ1=4.2°,θ2=37.9°,L=649.5 mm。為進(jìn)一步驗(yàn)證尋優(yōu)結(jié)果并分析導(dǎo)流板組優(yōu)化后的艙內(nèi)流場(chǎng),依據(jù)各要素最佳值,重新建立發(fā)動(dòng)機(jī)艙幾何模型并進(jìn)行CFD數(shù)值仿真。CFD仿真與近似模型預(yù)測(cè)得到的空氣流量分別為124.63 kg/s和126.40 kg/s，誤差只有1.43%，進(jìn)一步說(shuō)明近似代理模型的可行性。

4.3優(yōu)化后流場(chǎng)分析

原始艙內(nèi)結(jié)構(gòu)仿真得到的流向艙內(nèi)上部熱源的空氣流量qm為109.52 kg/s,與以最佳參數(shù)安裝導(dǎo)流板之后的流場(chǎng)對(duì)比,安裝導(dǎo)流裝置并優(yōu)化后空氣流量提高了13.8%。

(a)整體圖

(b)回流區(qū)域放大圖圖9　優(yōu)化后的發(fā)動(dòng)機(jī)艙x=0 mm截面速度矢量圖

由圖9可見(jiàn),優(yōu)化后在風(fēng)扇罩上部邊緣附近仍存在回流，但由于導(dǎo)流板的阻擋作用，消耗了大量動(dòng)能，回流未返回至散熱器前方，而是直接與附近來(lái)流匯合后，流向后方的上部熱源。另一方面，受導(dǎo)流板引導(dǎo)，不再出現(xiàn)大量空氣緊貼甲板的流動(dòng)，更多的空氣流向上部熱源。結(jié)合圖10可見(jiàn)，由于減弱了風(fēng)扇罩上部邊緣回流和避免了緊貼甲板的流動(dòng)，流向上部熱源的冷卻空氣的流量增大,使得上部熱源附近區(qū)域的溫度明顯降低，高于370 K的高溫區(qū)域大幅減小,整個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)艙內(nèi)溫度分布較原始模型均勻，大部分區(qū)域溫度在352 K以下。

圖10　優(yōu)化后的發(fā)動(dòng)機(jī)艙x=0 mm截面溫度云圖

5　結(jié)論

(1)本文針對(duì)半開放式的自卸車發(fā)動(dòng)機(jī)艙,取適當(dāng)簡(jiǎn)化后的自卸車前半車身建立仿真物理模型,應(yīng)用CFD方法耦合計(jì)算艙內(nèi)外流場(chǎng)，獲得了艙內(nèi)熱流場(chǎng),與實(shí)車實(shí)驗(yàn)值對(duì)比,誤差最大值為4.3%,從而證明仿真方案可靠。

(2)針對(duì)原車發(fā)動(dòng)機(jī)艙內(nèi)因回流和緊貼甲板流動(dòng)導(dǎo)致的散熱不足問(wèn)題，在自卸車甲板上增加一組導(dǎo)流板，并基于Kriging近似模型對(duì)導(dǎo)流板布局進(jìn)行優(yōu)化。優(yōu)化后，流向上部熱源的空氣流量增加了13.8%,溫度大于370 K的空氣高溫區(qū)域大幅減小,艙內(nèi)的空氣溫度基本控制在352 K以下，發(fā)動(dòng)機(jī)艙內(nèi)散熱性能提高。

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(編輯張洋)

Thermal Characteristic Analysis of a Mining Dump-truck Engine Compartment and Optimization

Liu Shuichang1,2Gu Zhengqi3Zhang Yong1,3Fan Zunjin1

1.Hunan University of Technology,Zhuzhou,Hunan,412007 2.South China University of Technology,Guangzhou,510641 3.State Key Laboratory of Advanced Design and Manufacture for Vehicle Body,Hunan University,Changsha,410082

The engine compartment of mining dump-truck is semi-open and its radiating load is large.To avoid insufficient cooling and local heat damage,heat flow field thermal property in engine compartment was analyzed by combination of real vehicle test and CFD method.The analyses show that,the reflux at the top edge of fan’s cover and a large amount of air flowing close to the deck generate the insufficient cooling of the upper heat sources,thus,a group of deflectors are added on the deck, and more the deflectors layout optimization is carried out based on Kriging approximate model method.Then,the air flow in the compartment is improved, the air flow volume towards the upper heat sources increases by 13.8%,the area where air temperature is higher than 370 K is reduced significantly.

mining dump-truck;engine compartment flow field;thermal characteristics;Kriging approximation model

2014-05-04

國(guó)家高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃(863計(jì)劃)資助項(xiàng)目(2012AA041800);中央財(cái)政創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)專項(xiàng)資金資助項(xiàng)目(0420036017);湖南工業(yè)大學(xué)自然科學(xué)研究項(xiàng)目(2013HZX05)

U461.99;TH242DOI：10.3969/j.issn.1004-132X.2015.12.010

劉水長(zhǎng),女,1981年生。湖南工業(yè)大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院講師,華南理工大學(xué)機(jī)械與汽車工程學(xué)院博士研究生。主要研究方向?yàn)槠嚳諝鈩?dòng)力學(xué)與汽車熱管理。發(fā)表論文10余篇。谷正氣,男,1963年生。湖南大學(xué)汽車車身先進(jìn)設(shè)計(jì)制造國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室教授、博士研究生導(dǎo)師。張勇,男,1979年生。湖南工業(yè)大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院講師,湖南大學(xué)汽車車身先進(jìn)設(shè)計(jì)制造國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室博士研究生。凡遵金,男,1987年生。湖南工業(yè)大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院碩士研究生。