煤礦重型特種車輛發動機系統外流場分布CFD研究

任肖利

摘要：煤礦用重型車輛發動機艙的散熱性能通常是靠工程評估或者依賴經驗，往往在整車制造完成前無法對發動機艙的散熱性能進行準確計算與評估。針對發動機系統散熱性能改進問題，提出以計算流體動力學（CFX）作為研究手段，根據發動機艙外部流場的數值計算結果進行分析，通過不同空間的速度和壓力場的分布情況。然后從發動機艙表面的流動是否存在回流，局部是否存在高溫等方面對發動機艙內的散熱特性進行分析，對改善礦用重型車輛發動機艙的散熱條件，提高動力系統工作效率和可靠性具有重大意義。

關鍵詞：重型車輛;發動機系統;CFD;外流場

1 前言

近年來，我國采掘技術正發生著迅速的變化，原先近水平煤層的采區正在逐步減少，傾斜煤層逐漸增多，現有無軌輔助運輸車輛一般適應坡道為小于8°，在該坡度下的適應運輸距離一般不超過500m;然而近年來在山西北部、山東兗州和甘肅地區的許多礦井輔助運輸車輛的坡道運輸距離已超過4000m，平均坡度近10°，局部最大坡度可達14°。

為滿足這種長距離、大坡度工況下的運行要求，礦用重型車輛幾乎全部采用大功率防爆發動機，然而當重型車輛長時間處于重載大坡度爬坡工況時，由于動力系統長期處于高負荷運行狀態，極易導致防爆發動機熱負荷高、發熱量大，對發動機冷卻系統造成沉重的負擔。發動機艙散熱性能主要取決于車輛運行時發動機艙內的空氣流動速度和發動機艙熱源的分布兩大因素。礦用重型車輛長時間在煤

礦井下通風性差的工況下運行，氣流流通不暢;整車行駛速度低，最大速度僅為20km/h，空氣相對流動速度低;同時受整車防爆性能的要求，在發動機艙內布置有大量形狀、尺寸各異的防爆元器件，形成了艙內高度復雜的非均勻流場，導致空氣流通不暢，散熱性能差。因此與道路發動機相比，防爆發動機的冷卻系統更復雜且體積龐大，體積龐大的冷卻系統占據了發動機艙較大的空間，又受到井底巷道外形尺寸和運行要求的限制，發動機艙無法隨冷卻系統體積的增大而增大，空氣流動速度差和發動機艙熱源分布集中導致防爆發動機艙經常發生過熱高溫現象，引發發動機開鍋、爆震等問題，嚴重影響整車的工作效率及可靠性。

本文建立了發動機系統熱管理模型，利用CFD對機艙進氣與傳熱進行了仿真分析。在CFD計算時散熱器采用多孔介質模型處理，通過與一維仿真分析及一維/三維聯合仿真分析結果的對比，驗證多孔介質模型模擬散熱器冷卻液溫度的可行性。

2 仿真計算

2.1三維模型建立

模型的建立是CFD分析計算的前提。膠輪車發動機系統外部空氣流場對機艙內空氣的流動具有重要影響，為提高機艙冷卻進氣分析結果的準確性，分析時需要對發動機系統外流場進行計算。

2.2 ?物理模型簡述

本文研究的重型煤礦膠輪車，其發動機系統布置在車輛的中部，散熱器等冷卻模塊布置在車輛前端的機艙內，其前半部分如圖1.1所示。為了對機艙散熱性能進行分析，首先需要建立發動機系統幾何模型如圖1.1所示。

三維模型中包含了發動機，發動機懸置，排氣管和散熱器、冷凝器、中冷器及它們的進出管路等。在保證計算進度的前提下，對直徑較小的油、線、水等管路及細小的螺釘、螺母、加強筋等進行簡化處理，以減小網格建模時間及其分析計算時間。

2.3 計算域設置

通過設置為自動網格四面體，對外場和發動機系統本體進行有限元網格處理，最后得到238521個網格單元。

為了準確地考慮外流場的作用，需要準確模擬出充分發展的重型膠輪車外流場。由重型膠輪車風阻分析的相關研究可知，膠輪車前方流動區域比膠輪車后方流動區域對整個流場的影響小，為了得到充分發展的尾流，膠輪車后方的計算域需要有足夠的長度。因此，將膠輪車模型放置于靠近計算域入口、遠離計算域出口的位置。在膠輪車外流場數值模擬仿真中，計算域的大小對計算時間和計算結果精度具有重要影響。計算域過小，將導致分析模型與實際情況相差過大，計算域過大則會導致計算時間過長，從而影響數值計算的效率。入口處的邊界條件采用速度入口邊界，出口為壓力出口，對于散熱器和冷凝器則采用多孔介質模型，用來計算冷卻模塊的進氣量。

3 仿真結果分析

3.1 發動機系統外流場分析

本文分析時對膠輪車機艙外流場進行了計算，其中外流場指膠輪車外部周圍計算域流場。通過對膠輪車外流場結果的分析可判斷仿真計算時流體模型的設置是否正確合理。

從圖所示膠輪車外流場速度矢量分布中看出，計算域主流區域的速度為11.42m/s，與入口設定速度（11m/s）非常接近，驗證了計算域邊界條件設置的正確性。空氣流動在膠輪車前方由于膠輪車的阻礙作用速度減小，格柵入口處速度為10.7m/s，遠小于計算域入口速度;而在膠輪車上方，由于空氣的匯集速度有所增大;從圖中可知在發動機系統尾部出現尾流，速度急劇減小，減小尾流區域可有效降低膠輪車的空氣阻力。因此在CFD分析中的流體模型設置是正確的。

4 結束語

通過CFD流體力學仿真分析，得到了重型特種車輛發動機系統的外流場分布特性，在進口處發動機散熱器表面承受的壓力最大。發動機艙熱管理分析可以為設計者提供最直觀的指導方向，比如，散熱器周圍是否有回流存在，是否需要增加導流板來阻止回流產生，散熱器底端空隙是否足以滿足油冷器周圍空氣流速要求等。另外，還可以通過改變中冷器位置或者冷卻風扇的位置及風速大小來改善散熱器的散熱性能，根據發動機周圍的環境溫度來布置油冷器及電子控制設備使其工作環境溫度最佳。

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注釋：山西天地煤機裝備有限公司自立青年項目（M2020-QN07）資助

作者簡介：任肖利（1987.10），男，山西忻州人，碩士研究生。主要研究方向為煤礦井下無軌輔助運輸車輛整車研發;