內(nèi)燃機(jī)車動力系統(tǒng)散熱通風(fēng)性能仿真分析

摘??要：柴油機(jī)作為內(nèi)燃機(jī)車的動力源，其散熱性能是整機(jī)安全運行的一項重要參數(shù);經(jīng)典的散熱設(shè)計計算，以柴油機(jī)自身換熱介質(zhì)及其流動狀態(tài)作為輸入常量，通過計算環(huán)境通風(fēng)量來評估散熱性能;本文通過仿真計算，研究在相同功率性能的風(fēng)機(jī)，相同流場域情況下，風(fēng)機(jī)相對動力間排風(fēng)與吸風(fēng)時，通過對比散熱系統(tǒng)通風(fēng)量大小，得出在計算域相同條件情況下（動力間布置及通風(fēng)窗一致的情況）動力系統(tǒng)的散熱能力，進(jìn)而得出在類似動力系統(tǒng)布置條件下的優(yōu)選散熱方案。

關(guān)鍵詞：動力系統(tǒng);通風(fēng)散熱;內(nèi)燃機(jī);流體仿真

對于內(nèi)燃機(jī)車和大型養(yǎng)路機(jī)械的動力系統(tǒng)設(shè)計，往往都會根據(jù)整機(jī)需求，先確定內(nèi)燃機(jī)功率及其各項主要參數(shù)，根據(jù)定型內(nèi)燃機(jī)散熱需求來選型散熱系統(tǒng);散熱系統(tǒng)的設(shè)計包括：散熱器設(shè)計、通風(fēng)機(jī)設(shè)計。本文使用數(shù)值仿真的方式，在整個內(nèi)燃機(jī)車動力系統(tǒng)主要核心部件設(shè)計定型后，模擬通風(fēng)散熱流場，對比流過散熱器風(fēng)量的多少，評估通風(fēng)散熱流向和散熱系統(tǒng)通風(fēng)阻力的關(guān)系，并總結(jié)出一般規(guī)律，以指導(dǎo)散熱系統(tǒng)的設(shè)計選型。

1?動力系統(tǒng)設(shè)計方案描述

本文所針對的分析對象為較為常見的一種鐵路內(nèi)燃大型養(yǎng)路機(jī)械的動力系統(tǒng)，其組成包括：散熱器（散熱翅片、導(dǎo)風(fēng)罩、冷卻風(fēng)扇）、冷卻管路系統(tǒng)、膨脹水箱、內(nèi)燃機(jī)、排氣系統(tǒng)、進(jìn)氣系統(tǒng)、分動箱、發(fā)電機(jī)、液壓油箱;動力間組成由：動力間、通風(fēng)窗、隔墻。如圖1所示。

1.1?強(qiáng)制通風(fēng)設(shè)計說明

散熱器通風(fēng)扇由柴油機(jī)驅(qū)動，直徑890mm，轉(zhuǎn)速1500rpm，扇葉前段距離散熱芯子距離150mm，葉尖速度小于90m/s【1】;由于扇葉有柴油機(jī)驅(qū)動，所以其轉(zhuǎn)速在作業(yè)時恒定，可簡化為仿真fan邊界條件。

1.2?熱平衡計算

冷卻風(fēng)扇的供風(fēng)量（冷卻空氣的體積流量），可根據(jù)冷卻系統(tǒng)的散熱需求計算【2】：

由以上公式可得散熱量與供風(fēng)量成正比，冷卻風(fēng)扇的供風(fēng)量越大散熱效果越好。

由于整個系統(tǒng)幾何結(jié)構(gòu)未發(fā)生變化，供風(fēng)量的增加同時也說明通過散熱芯子的流速增大，增加流速可以改變冷卻風(fēng)流動狀態(tài)，提高紊流脈動程度，也能增強(qiáng)傳熱【3】。

1.3?通風(fēng)性能分析

在動力間布置及散熱系統(tǒng)方案確定的情況下，由于動力間只有冷卻風(fēng)扇為主動風(fēng)口，通風(fēng)窗為被動風(fēng)口，因此通風(fēng)窗口記錄的總流量即可當(dāng)做散熱系統(tǒng)的通風(fēng)量。通過仿真分析冷卻風(fēng)扇相對動力間吹、排，求出通風(fēng)窗口的通風(fēng)量，對比通風(fēng)量分析冷卻風(fēng)扇的吸風(fēng)和排風(fēng)對于散熱性能的優(yōu)劣。

2?數(shù)值模型描述

2.1?流場域離散

整個計算域包括動力室內(nèi)部流場和動力室外部流場;動力室外部流場模擬環(huán)境對通風(fēng)散熱的影響，動力室內(nèi)部流場設(shè)置一個通風(fēng)扇，以模擬散熱風(fēng)扇。使用有限體積法（FVM）將整個計算域離散分割，如圖2和圖3所示。

離散網(wǎng)格為六面體單元，562978個節(jié)點，3079700個單元。其中外流場創(chuàng)建一個的速度入口、四面壓力出口以及一個地板墻面。動力間內(nèi)部流場域根據(jù)實際模型進(jìn)行簡化處理：進(jìn)風(fēng)口簡化為一個fan模型，模擬冷卻風(fēng)扇;柴油機(jī)進(jìn)排氣簡化為速度入口，模擬柴油機(jī)實際的進(jìn)排氣參數(shù);動力間通風(fēng)窗創(chuàng)建通風(fēng)面，記錄通風(fēng)窗氣流流量;最后將動力間內(nèi)部一些細(xì)小的幾何結(jié)構(gòu)抹去，完成整個流場域的數(shù)值離散。

2.2?邊界條件

在相同外流場域中，散熱器風(fēng)扇的流向?qū)恿﹂g內(nèi)部通風(fēng)性能的影響：

• 柴油機(jī)進(jìn)排氣量：進(jìn)氣速度4.89m/s，排氣速度124.12m/s;

2.3數(shù)學(xué)模型設(shè)置

選用基于壓力的穩(wěn)態(tài)求解器，物理模型選用湍流模型SST?k-ω，材料模型選用標(biāo)準(zhǔn)空氣（不考慮固體受力變形及傳熱所以選擇默認(rèn)壁面），算法選用Coupled耦合算法，離散精度默認(rèn)。

2.4計算工況

為了對比出動力間通風(fēng)性能，將通風(fēng)機(jī)風(fēng)向及通風(fēng)窗開合作為變量進(jìn)行分析，具體工況見下表：

3計算結(jié)果及分析

為了方便比較對比，創(chuàng)建如下的數(shù)據(jù)采集面，如圖4所示：

3.1計算結(jié)果

對比可以看出在整車動力系統(tǒng)方案相同時，向動力間外排氣時，散熱系統(tǒng)通風(fēng)量始終大于往動力間內(nèi)部吸氣。隨著通風(fēng)窗的數(shù)量增加，吸氣和排氣的通風(fēng)量都增加，趨于相同。

4?結(jié)論

通過數(shù)值仿真結(jié)果，可以得出以下結(jié)輪：

參考文獻(xiàn)：

[1]胡永健.陽路機(jī)械用水冷柴油機(jī)散熱器設(shè)計[B].開發(fā)研究，機(jī)車車輛工藝，2008.

[2]楊連生，等.內(nèi)燃機(jī)設(shè)計[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1991.

[3]張興中，黃文，劉慶國，等.傳熱學(xué)[M].國防工業(yè)出版社，2011.

作者簡介：金俊權(quán)（1987—??），男，漢族，河北衡水人，本科，工程師，研究方向：大型鐵路工程機(jī)械。