工程車輛冷卻風扇及散熱性能的改進分析

溫俊芳，劉佳鑫，秦四成

（1?江蘇安全技術職業學院汽車工程系，江蘇徐州 221011；2?華北理工大學機械工程學院，河北唐山 063009；3?吉林大學機械科學與工程學院，吉林長春 130025）

工程車輛冷卻風扇及散熱性能的改進分析

溫俊芳1，劉佳鑫3，秦四成2

（1?江蘇安全技術職業學院汽車工程系，江蘇徐州 221011；2?華北理工大學機械工程學院，河北唐山 063009；3?吉林大學機械科學與工程學院，吉林長春 130025）

為提升動力艙內冷卻風扇空氣流動狀態，改善系統散熱性能，結合某款國產壓路機，在已有研究的基礎上，通過對冷卻風扇進行重新設計，得到改進后的動力艙模型。并對其進行數值仿真，分析仿真結果，將改進方案與原始方案進行對比。結果表明：改進后的動力艙在中冷器、液壓油散熱器所體現出的散熱性能優于改進前；但由于受到輪轂比的影響，冷卻液散熱器的散熱性能略低于原始方案，在實際使用中通過安裝固定裝置對輪轂比進行調整可以得到改善。

工程車輛；散熱性能；數值仿真；冷卻風扇

0 引 言

隨著中國基礎建設的全面展開，節能減排問題越來越受到關注。作為建筑工程的主要施工設備——工程車輛，其節能減排具體體現在動力艙散熱上。壓路機作為工程車輛的一個重要組成部分，在炎熱的夏天連續工作數個小時后，會出現動力艙內發動機水溫驟升，從而導致發動機損壞，究其原因，主要是由于冷卻系統冷卻性能下降。

為了更好地解決該問題，許多國內外專家和學者從散熱性方向入手積極展開研究：尚寶蘭等采用數值仿真與正交試驗設計相結合的方式對散熱器翅片結構參數進行了仿真分析，得到了參數對其流動性與散熱性影響的敏感度次序［1］；吉林大學秦四成教授針對輪式裝載對機罩部位進行了仿真分析，并提出多種改進方案，通過對比篩選出了最優方案［2］；裝甲兵工程學院畢小平對坦克動力艙內空氣流場進行了仿真分析，并通過對比試驗驗證了仿真方法的正確性［3］；Shome B對SUV車艙內氣流流動性能與換熱性能進行了仿真研究，得到溫度試驗值與仿真值偏差在2℃之內的結論［4］；Cenk D評價了卡車動力艙內流場的散熱性能，并提出了一系列的改進措施［5］；Shaolin M對非公路工程車散熱器的傳熱性能與動力艙的換熱性能進行了研究［6?7］；Vivek K對微型乘用車動力艙進行了仿真分析，并提出了改進方案［8］。

基于以上研究，本文針對國內某款壓路機，對其冷卻風扇進行重新設計，建立新動力艙模型，并進行仿真分析，對比原始方案，驗證改進的有效性。

1 仿真模型

1．1 冷卻風扇模型

冷卻風扇模型如下［9?13］。

式中：D p為風扇前后端的壓強差；v為與風扇出口相互垂直的空氣矢量；N為多項式數目；ρ為空氣密度；fn為多項式系數；r－為葉片截面相對半徑；kz為轉數與體積流量的比例系數；vs為葉片后端旋流系數；R為葉片半徑；Q為體積流量；χb為輪轂比；ps為風扇自由渦流時的靜壓。

1．2 散熱器模型

散熱器模型如下。

式中：ε為散熱效率；Qr為換熱量；Ntu為效能單元數；Thotin為熱流體入口溫度；Tcoldin為冷流體入口溫度；Cp1、Cp2分別為熱冷流體的比定壓熱容；m·1、m·2分別為熱冷流體側質量流率；ρcold為冷介質密度；D P為散熱器壓力損失；Ac為散熱面積；Ke為出口阻力系數；Kc為進口阻力系數；w為冷流體流動長度；f為范甘寧摩擦因子；De為水力直徑。

1．3 動力艙模型

依據廠商圖紙與實際樣機建立三維動力艙物理模型，具體如圖1所示。其中風扇、散熱器結構參數為：風扇直徑660 mm，導風罩直徑690 mm，輪轂直徑159 mm，無彎掠特征；中冷器散熱面積16?26 mm2，液壓油散熱器散熱面積19．28 mm2，流動長度均為660 mm，冷卻液散熱器散熱面積為21．16 mm2。

圖1 動力艙模型

2 原始模型數值模擬

原始風扇和動力艙的模型網格、邊界以及流場分析結果可參見文獻［9?12］，此處不再贅述。

3 改進后的仿真模型

結合NACA4406翼型對原始風扇進行重新設計計算，建立改進后的風扇模型，具體如圖2所示。

圖2 新風扇模型

4 CFD數值仿真

4．1 網格劃分

對風扇表面、發動機表面、燃油箱采用結構性網格進行劃分，對內置動力艙風洞采用非結構與結構網格進行劃分，并對動力艙空氣出入口進行網格加密。消聲器作為動力艙內的主要熱源，在換熱過程中溫度較高，所以必須保證該處的網格質量。

4．2 工況與邊界條件設定

（1）工況設定：以6 km·h－1的速度前進，1擋位，地表溫度為80℃，振動。

（2）邊界設定：采用速度入口，大氣出口；周圍環境溫度為45℃，消聲器溫度為469℃，發動機機體溫度設為100℃；中冷器入口溫度為186℃，冷卻液、液壓油散熱器入口溫度分別為100℃、80℃；將動力艙內風扇轉速設置為2 300 r·min－1，FLUENT仿真中選用k?e湍流模型［13?18］，增壓空氣、冷卻液、液壓油的流量分別為0?199 9、3．024 2、1．105 4 kg· s－1。

4．3 仿真結果分析

散熱器出口處空氣溫度如圖3所示。由圖3可知，液壓油散熱器平均溫度低于中冷器；中冷器最高溫度出現在右上角，溫度達113℃～118℃，這主要是由于中冷器冷熱流體存在過大溫差以及冷卻風扇偏置安裝造成的。

圖3 散熱器出口處空氣溫度

動力艙出氣口B處空氣溫度如圖4所示。從圖4可以看出，空氣經進氣口進入動力艙后，溫度迅速上升，一部分氣流從出氣口直接流出。造成這種現象的原因是：進氣口與出氣口相距較近，流動阻力較小，速度相對較大；另一部分空氣向動力艙底部移動，與消聲器進行二次換熱，在消聲器上部的溫度約為120℃，隨后氣流對發動機進行繞流，從空氣出口排出。

圖4 動力艙出氣口B處空氣溫度

5 結果對比

分別計算改進前后散熱器熱流體出口散熱量，結果如表1所示?？梢钥闯觯倪M后的中冷器、液壓油散熱器出口散熱量略有增加，而冷卻液散熱器散熱量減少，這是由于新風扇輪轂比大于原風扇，導致輪轂處高溫區域增加。在實際使用中，可以通過安裝固定裝置對輪轂比進行調控，從而改善該現象。

表1 兩種方案下熱流體出口散熱量W

6 結 語

本文針對國內工程車輛上某款冷卻風扇，在原有研究的基礎上，對其進行重新設計與建模，并對改進后的動力艙進行仿真分析，與原始方案對比后可以得到以下結論。

（1）改進后中冷器、液壓油散熱器的性能都要略優于改進前，冷卻液散熱器由于受到輪轂比的影響性能略差，但通過安裝固定裝置對其進行調控后可以改善。

（2）由改進方案與原始方案的對比可知，新型風扇在冷卻性能上略優于原始風扇。

（3）通過對改進后動力艙散熱器出口及動力艙空氣出口進行仿真分析，為動力艙位置布局及結構改進提供了一定的參考和借鑒。

［1］ 肖寶蘭，俞小莉，韓 松，等．散熱帶翅片參數對車用水箱散熱器流動傳熱性能的影響［J］．內燃機工程，2010，31（3）：85?89．

［2］ 秦四成，王雪蓮，秦司南，等．輪式裝載機熱源系統空氣場特征分析［J］．中國公路學報，2010，23（3）：123?126．

［3］ 畢小平，劉西俠，趙以賢，等．坦克動力艙內三維空氣流動數值模擬［J］．內燃機工程，2003，24（3）：12?15．

［4］ SHOME B，JOSHI R．CFD Based Air?to?Boil Temperature Pre?diction for Sport Utility Vehicle Radiator［J］．SAE Technical Pa?pers，2006?01?3266．

［5］ DINC C，ARSLAN O，AKGUN T，et al．Improvement of Engine Cooling Performance for a Construction Truck using Numerical and Experimental Methods［J］．SAE Technical Papers，2010?01?2054．

［6］ MAO S，FENG Z，MICHAELIDES E E．Off?highway Heavy?duty Truck Under?hood Thermal Analysis［J］．Applied Thermal Engi?neering，2010，30（13）：1726?1733．

［7］ MAO S，CHENG C，LI X，et al．Thermal／Structural Analysis of Radiators for Heavy?duty Trucks［J］．Applied Thermal Engineer?ing，2010，30（11）：1438?1446．

［8］ KUMAR V，SHENDGE S A，BASKAR S．Underhood Thermal Simulation of a Small Passenger Vehicle with Rear En?gine Compartment to Evaluate and Enhance Radiator Performance［J］．SAE Technical Papers，2010?1?0801．

［9］ 劉佳鑫，秦四成，孔維康，等．虛擬風洞下車輛散熱器模塊傳熱性能數值仿真［J］．吉林大學學報：工學版，2012，42（4）：834?839．

［10］ 劉佳鑫，秦四成，徐振元，等．工程車輛散熱器模塊散熱性能數值仿真［J］．西南交通大學學報，2012，47（4）：623?628．

［11］ 劉佳鑫，秦四成，徐振元，等．基于CFD仿真的車輛散熱器性能對比分析［J］．華南理工大學學報：自然科學版，2012，40（5）：24?29．

［12］ 劉佳鑫，秦四成，徐振元，等．虛擬風洞下的車輛散熱器模塊性能改進［J］．吉林大學學報：工學版，2014，44（2）：330?334．

［13］ 劉佳鑫．工程機械散熱模塊傳熱性能研究［D］．長春：吉林大學，2013．

［14］ 顧程鵬，劉佳鑫，秦四成．動力艙不同出口特征下車輛散熱模塊性能分析［J］．筑路機械與施工機械化，2015，32（7）：95?98．

［15］ 劉佳鑫，蔣炎坤，秦四成，等．基于CFD與ε?NTU法的工程車輛散熱性能預估［J］．華中科技大學學報：自然科學版，2016，44（8）：6?10

［16］ 徐振元．工程車輛波紋翅片散熱器特性分析與應用研究［D］．長春：吉林大學，2012．

［17］ 閆鵬舉，張 碩，劉立偉，等．基于CFD仿真的大馬力平地機散熱性能分析與改進［J］．筑路機械與施工機械化，2016，33（3）：87?91．

［18］ 傅立敏．汽車超車過程的空氣動力特性研究［J］．空氣動力學學報，2007，25（3）：351?356．

［責任編輯：王玉玲］

Analysis on Improvement of Cooling Fan and Heat Dissipation Performance of Engineering Vehicles

WEN Jun?fang1，LIU Jia?xin3，QIN Si?cheng2
（1．Department of Automotive Engineering，Jiangsu College of Safety Technology，Xuzhou 221011，Jiangsu，China；2．School of Mechanical Engineering，North China University of Science and Technology，Tangshan 063009，Hebei，China；3．School of Mechanical Science and Engineering，Jilin University，Changchun 130025，Jilin，China）

In order to improve the air flow condition of the cooling fan in the engine compartment and boost the heat dissipation performance of the system，combined with a domestic roller and the existing research，an improved model of the engine compartment was obtained through the redesign of the cooling fan．The numerical simulation was carried out，and the simulation results were analyzed，and the improvement scheme was compared with the original one．Intercooler and hydraulic oil cooler within the engine compartment show better heat dissipation performance than that before the improvement，but the cooling performance of the coolant radiator is slightly lower due to the influence of the hub ratio，which can be fixed by making adjustment to the hub ratio．

engineering vehicle；cooling performance；numerical simulation；cooling fan

U415．52

B

1000?033X（2017）08?0115?04

2017?01?17

國家科技支撐計劃項目（2013BAF07B04）；2016年湖北省技術創新專項（2016AAA045）作者簡介：溫俊芳（1967?），女，山西定襄人，副教授，研究方向為汽車發動機。