多點測試在工程車輛冷卻性能預測中的應用

王寶中，劉佳鑫，，邢夢龍，龍海洋，蔣炎坤，高玲煥

(1.華北理工大學機械工程學院，河北唐山 063009;2.華中科技大學能源與動力工程學院，湖北武漢 430074)

多點測試在工程車輛冷卻性能預測中的應用

王寶中1，劉佳鑫1，2，邢夢龍1，龍海洋1，蔣炎坤2，高玲煥1

(1.華北理工大學機械工程學院，河北唐山 063009;2.華中科技大學能源與動力工程學院，湖北武漢 430074)

為了評估工程車輛各進氣口空氣流量對冷卻性能的影響，采用16個測試點對國內某型號250馬力推土機分區域測定空氣流速，建立關于進氣口比例系數的工程車輛冷卻性能預測模型。結果表明:該預測模型可在一定誤差內快速地獲取動力艙的進氣狀態;確定進氣口B和D處的空氣流動效果相對較好，C和G處相對較差;結合-NTU法建立關于比例系數的冷卻性能預測模型，實現對改進方案的有效評估。

多點測試;工程車輛;冷卻性能;預測模型

試驗有2種具體的實施方案，即通過測試散熱器表面或者動力艙進口獲取進氣量，設備可采用多通道葉輪測速系統，如東京計裝RF-2000風速測試儀［7-9］。然而，受諸多因素影響，許多中小企業并不具備該設備儀器，更為普遍的是單點手持測試設備。因此，如何利用手持設備實現對進氣口空氣狀態的有效測量并評估其對冷卻性能的影響，成為了行業內有待解決的問題之一。

本文針對國內某型號250馬力推土機，采用多點測試的方法獲取動力艙進氣口處的空氣狀態，分析各進氣口在進氣量中所占比重，建立關于比例系數的冷卻性能模型，實現對各進氣口改進方案的有效評估。

1 試驗方法和方案

1．1 試驗樣車

試驗樣車為國內某型號250馬力推土機，如圖1所示。其發動機采用184 kW渦輪增壓6缸柴油機，額定轉速為 2100 r·min－1，整車質量為 23800 kg，接地比壓為 71．9 kPa。

圖1 測試樣車

1．2 試驗工況

為了測試車輛進氣狀況，將試驗工況設定為空擋原地油門全開。

1．3 試驗設備

采用2種葉輪式風速風溫儀測量進氣狀態，根據空氣進口處的位置和狀態，選擇適當的設備分別測取數據，如圖2所示。

圖2 葉輪式風速風溫儀

1．4 測試目標及測試點劃分

試驗樣車共有7個進氣口，分別命名為進氣口A～G，具體分布如下:A、B位于動力艙右側，D、E位于動力艙左側，C、F、G位于動力艙頂部，如圖3所示。

圖3 動力艙空氣入口示意圖與命名

由于進氣口的面積較大，使用手持設備單次測取的數值誤差較大;因此，采用分區測試中心點的方法測取數值，然后計算平均值，從而獲取進氣速度。通過反復測試9點、16點和25點的數值差異，發現9點的誤差略高，而25點的測試工作量較大，導致測取時間過長，誤差反而有所增大。因此，本文選用16點的測試方式。16點測試具體實施方式如圖4所示。

2 試驗結果

對7個動力艙空氣入口進行流速測試，將結果按照流速分顏色表達，顏色標尺見表1。

圖4 進氣口A的16個測試點位置

表1 流速顏色標尺

各進氣口的流速分布云圖如圖5所示。由分布云圖可知:各進氣口最大流速出現在進氣口F處，約為 4．7 m·s－1;最小流速出現在 A 處，約為 2．2 m·s－1。其中，進口A和進口E的流速值較低，這是由于它們的位置離風扇較遠，空氣流動阻力更高;進口B、D、F的平均流速較高，這同樣與進口的位置相關。進氣口A的右上部進氣效果略好于左下部，這是由于發動機沉入動力艙中，其上部安裝了消聲器和空濾器，流動路徑中的阻礙件較少，流動效果較好;而進氣口B中右側的流動效果好于左側，這同樣是受發動機安裝位置的影響。上部的3個進口中，進口C的效果最差，這是由于該進氣口附近安裝了膨脹水箱，增大了進氣阻力。

3 結果分析

結合試驗結果計算平均流速，并換算流量，對各進氣口流量所占比例分別進行計算，結果如表2所示。由結果可知，進氣口所占比例從大到小依次為:B、D、E、A、F、C、G。進氣口 B 是主要進口氣，與進氣口G相比，兩者相差接近3.25倍。參考分析結果，以改善進氣、增強冷卻性能為目標，可以考慮對進氣口G和C進行改進，合理規劃內部結構和部件布置。為進一步建立冷卻性能預測模型，將各比例系數分別命名為 k1、k2、k3、k4、k5、k6、k7。

4 關于比例系數的冷卻性能預測模型

圖5 各進氣口的流速分布云圖

表2 各空氣進口的平均流速與比例系數

通過對多點測試結果的分析，可以明確該機型的主要進氣口和改進的方向;進一步通過比例系數的代入，可以預估各進氣口空氣流量對其性能的影響［10-11］。因此，在忽略艙外回流的前提下，本文以效能-傳熱單元數方法為基礎，建立帶有比例系數的性能預估模型。該過程主要是通過計算冷卻介質空氣流量實現的，具體計算式如下。

冷空氣質量流率

式中:i=1，2，…，7;wL、hL分別為散熱器的寬和高;vc為迎面風速;ρc為空氣密度。

冷空氣質量流速

式中:Amc為散熱器冷側最小流通面積。普朗克常數

式中:λc為導熱系數;Cpc為冷空氣比定壓熱容;ηc為動力黏度。

換熱系數

式中:jc為Colburn因子。散熱器的總傳熱系數

式中:Ac、Ah分別為冷、熱側換熱面積;ηall-c、ηall-h為冷、熱側總換熱效率;Rw為隔板熱阻;hc、hh分別為冷、熱側換熱系數。

換熱量與出口溫度的計算具體如下［12-15］。

散熱器效能

其中，傳熱單元數

式中:mh為熱空氣質量流率;Cph為熱空氣比定壓熱容。

總換熱量

式中:Tin-h為熱空氣進口溫度;Tin-c為冷空氣進口溫度。

冷熱流體出口溫度

冷熱流體側壓力損失

式中:m為冷熱流體質量流率(即mc或mh);Kc、Ke分別為入口與出口壓力損失系數;σ為孔隙率;hd為水力直徑;Lt為流動長度;f為Fanning因子。

5 結語

本文以國內某型號250馬力推土機為依托，將其柴油機動力艙各進氣口劃分為16個面積相等的截面，測取中心點流速，利用獲取的流速數值繪制速度云圖;計算各進氣口處的空氣流量相對于總流量值的百分比，確定所占比例系數，明確各進氣口處空氣流量所占比重;最后，將比例系數代入效能-傳熱單元數法中，建立關于比例系數的冷卻性能預估模型。基于以上工作，得到結論如下。

(1)相對于9點、25點，16點的測試方式在工作量和測試誤差之間具有相對較好的平衡性，具備一定的應用價值。

(2)動力艙進氣口的空氣流量受艙內發動機等部件影響較為明顯，動力艙進氣口路徑上應盡量避免設置部件，同時進氣口應盡量接近于散熱器和風扇所組成的冷卻系統;對于本文研究的機型而言，進氣口B和E效果較好，受膨脹水箱影響的進氣口G效果較差。

(3)通過將比例系數代入效能-傳熱單元數法，建立關于比例系數的冷卻性能預測模型，可有效實現對進氣口改進效果的評估。

［1］ 傅佳宏，俞小莉，藥凌宇，等．工程機械獨立式冷卻模塊流動傳熱仿真對比［J］．吉林大學學報:工學版，2016，46(2):451-456．

［2］ 秦四成，王雪蓮，秦司南，等．輪式裝載機熱源系統空氣場特性分析［J］．中國公路學報，2010，23(3):121-126．

［3］ 畢小平，馬志雄，韓 樹，等．裝甲車輛發動機冷卻系統空氣流動的仿真模型［J］．內燃機學報，2002，20(4):373-376．

［4］ SCOTT T C，JLSHI D S．Engine Cooling Module Sizing Using Combined 1-Dimensional and CFD Modeling Tools［J］．Sae International Journal of Passenger Cars Mechanical Systems，2009，2(1):1079-1098．

［5］ MAO S，FENG Z，MICHAELIDES E E．Off-highway heavy-duty Truck Under-hood Thermal Analysis［J］．Applied Thermal Engineering，2010，30(13):1726-1733．

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

［7］ 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．

［8］ 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．

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

［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，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．

［12］ 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．

［13］ 馬來蘋，孫麗萍，王玉艷．軸流式通風機對機車牽引電機冷卻風道數值計算結果的影響［J］．大連交通大學學報，2014，35(4):32-35．

［14］ 崔洪江，孫培廷，李明海．內燃機車冷卻系統虛擬樣機建模與仿真研究［J］．鐵道機車與動車，2010(4):1-5．

［15］ 崔洪江，趙 猛．機車冷卻間鋼結構強度計算分析［J］．大連交通大學學報，2016，37(3):57-59．

Application of Multi-point Test in Prediction of Cooling Performance of Engineering Vehicles

WANG Bao-zhong1，LIU Jia-xin1，2，XING Meng-long1，LONG Hai-yang1，JIANG Yan-kun2，GAO Ling-huan1
(1．School of Mechanical Engineering，North China University of Science and Technology，Tangshan 063009，Hebei，China;2．School of Energy and Power Engineering，Huazhong University of Science and Technology，Wuhan 430074，Hubei，China)

In order to evaluate the effect of air flow from the inlet on the cooling performance of the engineering vehicles，16 test points were chosen and divided to measure the air flow rate in a domestic 250 hp bulldozer，the prediction model for the cooling performance of engineering vehicle was established based on the proportional coefficient of the air inlet．The results show that the intake state of the power tank can be quickly obtained within a certain error;it is confirmed that the air inlet B and D have a better air flow than air inlet C and G，which show relatively poor results;based on the-NTU method and the proportional coefficient，a prediction model that would improve the effectiveness of the assessment was developed to evaluate the cooling performance．

multi-point test;engineering vehicle;cooling performance;prediction model

U415．51

B

1000-033X(2017)09-0111-05

0 引 言

隨著國家經濟建設的逐步展開，以柴油機為動力源的工程車輛在建設中發揮著越來越重要的作用。作為柴油機的冷卻系統，其主要作用是保持活塞缸的工作溫度在合理范圍之內，并將系統多余的熱量排到周圍環境之中。

空氣的進氣狀態對冷卻系統性能影響較大，在產品的實際設計中，想要從進氣上提升產品的冷卻性能，則必須確定動力艙各進氣口處的空氣狀態及其發揮的作用。目前，對于這方面的研究主要有數值分析和試驗2種方式。隨著CFD(Computational Fluid Dynamics)軟件逐步得到應用，數值分析更多地被應用于動力艙內的冷卻系統性能研究中。在國內，浙江大學的余小莉教授［1］、吉林大學秦四成教授［2］、裝甲兵工程學院畢小平教授［3］以及中科院工程熱物理研究所、西安交通大學和華中科技大學等人員和機構均通過不同方式對動力航冷卻系統性能進行過研究;國外的學者也展開了相關研究，Timothy將一維數值計算和三維仿真相結合，提出對冷卻性能的預估方法［4］;Mao則應用三維模擬對非公路重載車輛的動力艙內流場和散熱器工作性能進行了分析［5-6］。

2017-03-17

2016年湖北省技術創新專項(重大項目)(2016AAA045);唐山市重點電動車實驗室建設項目(12130201A-2)

王寶中(1966-)，男，河北唐山人，副教授，碩士，研究方向為機械學。

［責任編輯:高 甜］