基于CFD的燃油加熱裝置設計分析

趙明朝 古麗娜 李敏

（北京航天發射技術研究所 北京 100076）

燃油加熱裝置作為一種獨立熱源，受發動機等其他設備工況影響較小，具有制熱量大、制熱迅速、耗電量少等特點，因此廣泛應用于特種車輛、艦船、裝甲艙等各類運載和特種設備的供熱和預熱系統。然而，燃油加熱裝置本身的工作特性也導致其對安裝環境、電氣條件和操作使用能力提出較嚴格的要求。

某特種裝備用燃油加熱裝置主要由進出風風道、循環風機、燃油加熱器、燃油泵、加熱器箱體、控制器等組成，燃油加熱器內置于加熱器箱體。燃油加熱裝置工作時，燃油加熱所需燃油由燃油泵提供，燃燒室內吸排氣口均置于外部大氣環境中。通過車載供電及柴油源供油，能夠為溫控對象提供0～5kW的加熱量并具有連續調節的功能，其中，燃油加熱器型號選用為AIR TOP EVO 5500D基本型。由于燃油加熱器本身燃燒產熱且處于封閉空氣循環系統中，燃油加熱器安裝位置、控制方式均對其功能性能產生重要影響。因此，對該裝置的流動傳熱性能的研究及溫度場分布研究具有十分重要的意義。

針對某特種裝備用燃油加熱裝置，本文嘗試從模型有效性及裝置實際使用操作分析的角度進行分析并與試驗結果對比，并作為計算模型用于本型號燃油加熱裝置系統結構設計和控制方案優化。以此為目的，本文從以下幾個方面展開討論。

（1）燃油加熱裝置模擬與試驗驗證。

（2）燃油加熱器引流管對加熱裝置流場的影響。

（3）循環風機停機（風閥關閉）對加熱裝置流場的影響。

1 模型與邊界條件

1.1 數值模型

本文燃油加熱裝置整體作為研究對象，研究不同使用工況操作條件下空氣流動分布特點并與試驗數據進行對比。考慮本加熱裝置風道外部均有保溫層，故忽略外部環境對加熱裝置的影響。同時，本文主要分析燃油加熱裝置的溫度及流場分布特性，故將燃油加熱器作為整體熱源，未考慮其內部結構特性。

本文采用Gambit2.4 劃分構體并通過Fluent6.3 創建三維模型，計算域內計算單元總數約為17 萬，最大扭曲度不大于0.8。為保證計算的準確性，本文對燃油加熱器附近網格進行了加密處理。燃油加熱裝置簡化網格模型如圖1所示。

圖1 燃油加熱試驗裝置簡化網格模型

流體控制區域在風道進出風口、燃油加熱器進出風口各設置一組入/出口邊界，其中，入口均采用速度入口邊界條件，出口均采用壓力出口邊界條件。根據某型號燃油加熱裝置的設計參數，這里給定環境壓力設定為標準大氣壓。本文主要物性參數及數值模型選用如表1所示。

表1 物性參數及數值模型

1.2 控制方程

本模擬所建立的數學模型以質量、動量和能量守恒為基礎，考慮了黏性和熱傳導等性能。各控制方程如下。

（1）質量守恒方程（連續性方程）：

（2）動量守恒方程：

（3）能量守恒方程：

（4）湍流模型：

1.3 邊界條件設置

根據本加熱裝置實際使用工況及循環風機參數，設定風道進氣口循環風量恒為1500m/h。根據產品相關參數，本文將燃油加熱器循環風量假定為200m/h，環境溫度設為15℃，燃油加熱器送風溫度通過計算得到。

2 結果與分析

2.1 正常工作模擬

2.1.1 模擬結果與分析

采用以上邊界條件計算所得燃油加熱裝置流場分布如圖2所示。從圖2中可以看到，循環風機進風后主要通過外表面及燃油加熱器加熱后輸出，燃油加熱裝置整體循環速度場分布均勻。在箱體靠近壁面附近，有較小流量的進風經燃油加熱器本體擾流后吹向箱體內壁面，返流至進風口（返流占截面循環通量的2%），對整個加熱裝置影響較小。

圖2 正常工況下的燃油加熱裝置流場速度矢量分布圖（單位：m/s）

圖3 為整個燃油加熱裝置溫度場分布圖，可以發現燃油加熱器出風均通過導流管引入至大風道，并無明顯的局部溫度過高或溫度死角的現象。燃油加熱器入口處平均溫度較環境溫度高約0.2℃，應為模擬時有部分空氣回流所致。從圖3 中截面可以看出，燃油加熱器入口、出口截面均無異常溫度分布存在，同樣說明該加熱裝置結構設計能夠滿足使用要求。

圖3 正常工況下的燃油加熱裝置溫度場分布（X=0 截面，單位：℃）

2.1.2 試驗驗證

按照燃油加熱裝置設計方案，本文搭建測試試驗工裝對燃油加熱裝置本身工作效能進行試驗測試，所搭建測試試驗臺如圖4所示。

圖4 燃油加熱裝置試驗驗證

相關測試結果與仿真結果對比如表2 所示，將模擬結果與試驗結果進行對比發現，兩者在溫度場分布數據吻合良好，進一步驗證了模型的準確性。在表2所示的數據中，風道出風溫度的模擬值略高于試驗測試值，箱體內溫度略低于試驗測試值。經過分析，其主要由以下幾個方面引起。

表2 模擬溫度值與試驗測試值對比表

（1）模擬時，對模型結構進行了簡化，降低了產品實物各部組件對循環風阻的影響。設定風道循環風量、燃油加熱器加熱風量分別為1500m/h、200m/h，而實際測試值約為1450m/h和183m/h。

（2）模擬時，將箱體及風道等設為絕熱壁面，產品實物本身和外界有一定的熱交換。

（3）由于無法獲得相關數據，模擬時，未考慮燃油加熱器外表面產熱。

2.2 燃油加熱裝置引流管對加熱裝置的影響

為改善產品設計，本節從產品設計角度，建立無燃油加熱器導流管的三維模型，采用相同的邊界條件，模擬燃油加熱器導流管對溫度、流場分布的影響，為后續產品改進提供依據。

由于導流管的設計主要考慮經燃油加熱器加熱后的循環空氣是否會產生回流引起過熱燒蝕，故這里僅通過圖5、圖6對比兩種結構下箱體內流場分布和溫度場分布情況，說明引流管對加熱裝置流場的影響。

圖5 中，X=0.145m 和X=-0.145m 截面分別為加熱裝置箱體截面，位于燃油加熱器兩側。從圖中可以看出，在燃油加熱器左側面的速度分布中均有一定的返流且在靠近出風口處形成流渦，右側面溫度分布在無引流管的情況下速度分布也無明顯差異，說明燃油加熱裝置是否安裝引流管對整體流場分布無影響。圖6為燃油加熱裝置風道出風口處及燃油加熱器入口處的溫度分布情況，由于引流管的匯流作用，出風口處（Z=0.095m截面）高溫區域相對集中，無引流管狀態管路內高溫區域相對分散但自燃油加熱器出風口中心向周圍仍有溫度梯度。圖中，入口處（Z=-0.5m 截面）溫度分布情況則基本無差別（截面正向平均風速均為7m/s左右），而其他區域無明顯的高溫區域，說明引流管對燃油加熱裝置整體影響不大。

結合圖5、圖6 可以說明，引流管僅能夠匯聚燃油加熱器出風，有無引流管均不會影響燃油加熱裝置的設計功能實現。

圖5 引流管對燃油加熱器兩側截面流場的影響（單位：m/s）

圖6 引流管對燃油加熱器兩側截面溫度場的影響（單位：℃）

在圖4 中的工裝中進行對比驗證試驗后發現，去除引流管后加熱器箱體各位置均無明顯的高溫點，說明該加熱裝置去除引流管后并不會出現回流現象使熱量累計導致故障的可能。

2.3 循環風機停機（風閥關閉）對加熱裝置的影響

加熱裝置在工作過程中，易發生因人工誤操作關閉循環風機或風閥的情況，導致箱體內溫度驟升發生故障。這里通過模擬對該現象進行驗證。在循環風機停機的模擬中，將風道入口設為壓力邊界條件并默認壓力為大氣壓力；在風閥關閉模擬試驗時，將出風口設為絕熱壁面。

圖7 為正常工況與循環風機停機、風閥關閉工況下X=0、X=0.145m 和X=-0.145m 截面的溫度場分布對比。由此可知，當循環風機停機時，會在箱體內形成一定的返流，并在燃油加熱器出風口附近形成局部高溫區，該處平均溫度約為49℃，遠高于正常工況時的此處溫度（約15℃）；而根據試驗破壞工況模擬，在燃油加熱器出風口左側底部溫度約為60℃（模擬結果為58.6℃）。這就說明，當風閥關閉時，燃油加熱器繼續工作會在風道及箱體內迅速形成高溫區域，若經燃油加熱器重復加熱至更高溫度并形成迭代蓄熱，進而無法正常工作并對設備造成損毀。

圖7 循環風機停機（風閥關閉）對加熱裝置內溫度場的影響（單位：℃）

本模擬為簡化計算，未關聯燃油加熱器入口溫升對出口的影響，故在實際使用中，該工況可能會更加惡劣，造成設備燒蝕或更大事故。

3 結論

本文通過基于CFD 的燃油加熱裝置設計分析，主要得出以下結論。

（1）通過建立合適的數值模型，能夠有效模擬燃油加熱器加溫系統的流場和溫度場分布情況，為失效分析和優化設計提供依據。

（2）燃油加熱裝置的引流管對整體流場及溫度場影響不大。

（3）燃油加熱器工作過程中，循環風機停機及風閥關閉均能對設備造成一定的影響，尤其是風閥關閉情況下會對設備造成嚴重損害，實際使用過程中應避免在以上工況下使用燃油加熱裝置。