動力艙排煙管引射口外形結構優化研究

宋林森，鐘逸彤

(長春理工大學機電工程學院，吉林長春 130002)

0 引言

為了滿足人們對車輛的經濟性、動力性等不斷上升的需求，動力艙的空間慢慢地變小，所以動力艙越來越緊湊、功率密度也越來越高[1]。這就使得車輛動力艙流場更加復雜，艙內環境溫度更高，熱負荷持續上升。為了降低動力艙內熱流場溫度，文中主要針對排煙系統的引射口開展一系列分析與優化。

國內外很多研究者在降低動力艙內溫度上做了一定的貢獻。LAWRENCE[2]運用虛擬仿真技術模擬發動機艙內空氣的流動特性，改善了發動機冷卻系統的性能并且有效地降低了發動機零部件的溫度。Regin A FELIX對不同前端布置和動力艙的乘用車的空氣流動進行了建模仿真，并對比試驗結果與仿真結果，誤差大約為7.5%。JUAN[3]綜合評價影響動力艙冷卻空氣流動的多方面原因，并對其進行了系統的分析，還制定了一系列較好的優化動力艙冷卻空氣流動的辦法，其中包括汽車形狀、換熱器、風扇大小、前端格柵和保險杠等。CFD(Computational Fluid Dynamics)技術能夠在建立實際的物理模型之前幫助預先決策，能夠有效地減小因為設計方面造成的誤差。I BAYRAKTAR[4]對柴電混合的重型軍隊使用車輛的熱管理系統做了進一步研究，并運用瞬態的一維和三維仿真進行計算。索文超等[5]對后置履帶車輛艙內冷卻空氣流場、單散熱器進行了虛擬仿真，并有效地提煉了各個部件在模型中相應的解決方法，再結合有關的試驗探索，表明數值模擬與試驗值有著很小的設計誤差，最大的誤差為9.42%，符合工程設計的要求。在汽車發動機艙熱管理方面，趙新明[6]初次使用可視化方法，探究了不一樣的工作狀況下汽車發動機艙的進風口、熱交換器和冷卻風扇等部件的空氣流量。特種車輛動力艙的CFD模擬分析內部流場也通過李振平等[7]得到了證實。白文龍[8]在動力艙的流場分析計算的同時對進風口的風速、風量和冷卻風扇的轉向做了進一步的改善。

國外關于動力艙熱流場特性分析計算技術非常成熟，研究者對動力艙溫度場的分析為文中的研究奠定了基礎。作者主要是以降低動力艙內溫度為目的，開展動力艙排煙管引射系統的優化。在某個特殊工況下對動力艙內流場進行分析計算，針對排煙系統的引射口進行優化研究。

1 動力艙區域劃分

為了對仿真結果進行分析比較，將動力艙內區域分成3個部分，如圖1所示，其中區域1是高壓配電控制區，區域2是發動機及輔助系統區，區域3是電子器件集中區。區域3是溫度最敏感的區域。

圖1 區域劃分圖

2 動力艙內熱流場分布

在平原高溫最大車速的情況下，進行動力艙熱流場的仿真分析，具體速度和溫度場分布如圖2和圖3所示。

圖2 速度分布云圖

圖3 溫度分布云圖

可以很明顯地看出來：艙內空氣流動速度越大，其溫度也就越低；反之，當流速比較小時，動力艙內溫度明顯較高。

在這種條件下，溫度的分布相對比較惡劣，在這種情況下對引射口進行優化，效果會更加明顯。

3 引射口外形結構優化

對引射口長度L和擴散角度α兩個參數進行優化。引射口長度和擴散角度具體參數如表1所示。

表1 具體尺寸參數表

3.1 引射口長度尺寸優化

按照表1中的長度參數分別構建引射口三維模型，如圖4所示。

圖4 不同長度L的引射口三維模型

對排煙管和引射口周圍熱流場進行仿真計算，選取4個動力艙空間截面，通過溫度場的比較分析，確定引射口最優長度。每個截面的溫度分布云圖分別如圖5—圖8所示。

在X=0.8截面上：原長(250 mm)時動力艙的溫度場為70～250 ℃；當引射口長度為200和150 mm時，溫度流場的溫度分布差不多，都為70～200 ℃；引射口長度為100 mm時，溫度為70～210 ℃。總體來說，當引射口長度為200或150 mm時散熱效果最好。

在X=0.75截面上：原長(250 mm)時動力艙的溫度場為70～230 ℃；當引射口長度為200和150 mm時，溫度流場的溫度分布差不多，為70～200 ℃；引射口長度為100 mm時，溫度為70～240 ℃。所以，不是引射口長度越短，它的散熱越好。總的來說，當引射口長度為150 mm時散熱效果最好。

在X=-0.8截面上：原長(250 mm)時動力艙的溫度場為70～230 ℃；當引射口長度為200 mm時，溫度為70～190 ℃；當引射口長度為150 mm時，溫度為70～200 ℃；當引射口長度為100 mm時，溫度為70～220 ℃。總體來說，當引射口長度為200 mm時散熱效果較好。

在X=-0.75截面上：原長(250 mm)時動力艙的溫度場為70～210 ℃；當引射口長度為200 mm時，溫度為70～190 ℃；當引射口長度為150 mm時，溫度為70～180 ℃；當引射口長度為100 mm時，溫度為70～220 ℃。總體來說，當引射口長度為150 mm時散熱效果較好。

圖5 X=0.8截面流場云圖

圖6 X=0.75截面流場云圖

圖7 X=-0.8截面流場云圖

圖8 X=-0.75截面流場云圖

根據以上4個截面的溫度流場云圖，對每個截面對應各個長度時的溫度進行統計，具體的參數如表2所示。

表2 引射口長度尺寸優化溫度場統計表℃

可以清晰地看出：當引射口長度為150或200 mm時，基本上在每個空間截面上動力艙內溫度都有了一定程度上的改善。再綜合考慮艙外溫度場分布面積大小，確定引射口的優化長度為150 mm。

3.2 引射口擴散角度優化

在引射口最優長度尺寸150 mm的基礎上進行引射口擴散

角度優化，角度參數分別為：15°、20°、25°，構建引射口模型，如圖9所示，其中7.628°為原角度。

圖9 不同角度α的引射口三維模型

在同樣的4個動力艙空間截面上，開展排煙管和引射口周圍熱流場仿真計算，通過溫度場的比較分析，確定引射口最優擴散角度尺寸，最后完成引射口結構外形優化。其溫度分布云圖分別如圖10—圖13所示。

在X=0.8截面上：當引射口擴散角度為7.628°時，動力艙的溫度流場的溫度分布范圍為70～200 ℃；當引射口角度為15°和20°時，溫度為70～210 ℃；當角度為25°時，溫度為70～230 ℃。

圖10 X=0.8截面流場云圖(L=150 mm)

圖11 X=0.75截面流場云圖(L=150 mm)

圖12 X=-0.8截面流場云圖(L=150 mm)

圖13 X=-0.75截面流場云圖(L=150 mm)

在X=0.75截面上：當引射口擴散角度為7.628°時，動力艙的溫度流場的溫度分布范圍為70～190 ℃；當引射口角度為20°時，其溫度與原角度相差無幾；當引射口角度為15°時，溫度為70～200 ℃；當角度為25°時，溫度為70～210 ℃。

在X=-0.8截面上：當引射口擴散角度為7.628°時，動力艙的溫度流場的溫度分布范圍為70～200 ℃；當引射口角度為25°時，其溫度與原角度相差無幾；當引射口角度為15°或20°時，溫度為70～180 ℃。

在X=-0.75截面上：當引射口擴散角度為7.628°時，動力艙的溫度流場的溫度分布范圍為70～180 ℃；當引射口角度為15°或25°時，溫度為70～170 ℃；當引射口角度為20°時，溫度為70～200 ℃。

根據以上4個截面的溫度流場云圖，對每個截面對應的各個擴散角度的溫度進行統計，具體的參數如表3所示。

表3 引射口擴散角度溫度場統計表℃

綜合分析表3中的數據：當擴散角度為15°或20°時對降低動力艙內溫度起到了一定的作用。但是綜合考慮艙外溫度場分布面積大小，確定引射口的優化擴散角度為20°。

3.3 排煙管引射方案

根據以上的綜合分析，得出最終引射口的優化方案：引射口長度為15 mm，角度為20°。其結構優化示意圖如圖14所示。

圖14 排煙管引射方案優化示意圖

4 結論

主要是通過動力艙排煙管引射口優化，降低動力艙內溫度。優化后引射口長度為15 mm，擴散角度為20°，最終艙內溫度比原動力艙內溫度大概降低了10%。這種優化方案為以后動力艙引射口的設計提供了一定了基礎。但是要降低動力艙的整體溫度，還要對其他方面如通風結構或風扇風量等進行優化。