虚拟风洞下的车辆散热器模块性能改进
刘佳鑫12, 秦四成1, 徐振元1, 张奥1, 习羽1, 张学林1
1.吉林大学 机械科学与工程学院,长春 130022
2.徐工集团 徐工道路机械事业部,江苏 徐州 221000

刘佳鑫(1983),男,博士研究生.研究方向:工程机械系统节能.E-mail:nihao9002002@yahoo.com.cn

摘要

为了提升车辆散热器模块性能,保证车辆工作可靠性,在已有的研究基础上提出3种改进方案,依据图纸资料建立动力舱三维模型,使用热交换模型代替散热器模块,结合CFD数值方法在虚拟风洞内对各改进方案进行仿真,根据仿真结果进行评估。结果表明:3种改进方案均能提高车辆散热器模块性能,其中在消声器附近增加空气出口效果最好,与原始模型对比,中冷器、水、液压油散热器热流体出口温度分别降低了14.48%、1.39%、2.28%。

关键词: 车辆工程; 动力舱; 散热器; 数值分析; 热交换
中图分类号:U415.52 文献标志码:A 文章编号:1671-5497(2014)2-330-5
Improvement and analysis of heat exchange performance of vehicle radiator module in virtual tunnel
LIU Jia-xin12, QIN Si-cheng1, XU Zhen-yuan1, ZHANG Ao1, Xi Yu1, ZHANG Xue-lin1
1.CollegeofMechanicalScienceandEngineering,JilinUniversity,Changchun 130022,China
2.RoadMachineryDivisionofXuzhouConstructionMachineryCo.,Ltd.,Xuzhou 221000,China
Abstract

In order to improve the vehicle radiator capacity and keep vehicle reliable, three new improvement schemes were proposed on the foundation of former research. A 3D model based on the drawing from manufactures was set up. Heat exchange model was used as substitute for radiator module. Each improved model was simulated in virtual tunnel with commercial CFD software. These schemes were assessed based on the simulations. The results show that all of three schemes could enhance radiator performance. Addition of air exits near muffler has the best effect. Compared with original model, the intercooler, water radiator and oil radiator of the improved schemes could lower the thermal fluid outlet temperature by 14.48%, 1.39% and 2.28%, respectively.

Keyword: vehicle engineering; engine cabin; radiator; numerical analysis; heat exchange
引言

工程车辆动力舱内具有较多的发热部件,这些部件的布置形式、工况载荷均会影响散热器模块性能及动力舱内热流场特征[1]。目前国外最新研究成果是采用激光感应散热器冷流体侧与热流体侧分布点的温度,利用温度变化实时调整控制策略[2];也有部分研究侧重于散热器的几何特征对性能的影响,通过改变压阻特性强化其散热性能[3];还有部分学者利用风洞结合含有纳米粒子的冷却液来进一步提高换热性能[4]。实际上,散热器从风洞安装到车上后,实际性能会出现降低,甚至出现换热性能不佳致使系统过热的现象,该现象的产生与整车设计中散热器布置方式等有着极为密切的联系[5,6]。作者曾结合国内目前主流的压路机就动力舱几何特征与散热器的组合特征进行了初步研究[7,8,9],结果表明,具有规则几何特征的动力舱配合侧置的散热器组可以有效地提高整车散热性能。

本文在已有研究的基础上,结合国内某型压路机使用ANSYS/CFD数值仿真模块对散热器传热性能进行分析,主要涉及冷却风扇与散热器组之间的布置方式、增加动力舱空气出口两方面对散热器模块性能变化的影响。

1 动力舱以及风洞模型
1.1 冷却风扇模型[10,11]

式中: 为空气密度; 为叶片切面相对半径; 为风扇叶片半径; 为冷却风扇轮毂比; 为经过冷却风扇的空气体积流量; 为冷却风扇静压。

风扇几何尺寸确定后,面向大气的风扇静压近似表达为关于体积流量平方的二次函数。利用式(1)可以初步拟合多转数下的面向大气时风扇静压值来表征风扇性能。

1.2 散热器模型

目前的国内外研究大部分采用散热器压阻与换热量作为其性能表征。本文采用效能单元法 进行换热性能计算。其具体表达式[11]

式中: 为散热器散热效率; 为散热器换热量; 为热流体入口温度; 为冷流体入口温度; 分别为热、冷流体的定压比热; 分别为热、冷流的质量流率。

散热器压阻 表达式为

式中: 为冷流体密度; 为通流面积; 分别为进口和出口阻力系数; 为水力直径。

为获取散热器压阻与换热特性,本文结合供应商提供的资料,提取所需的变量对性能曲线进行拟合。

1.3 动力舱及风洞模型

根据生产厂商提供的设计图纸建立动力舱三维模型。为了便于网格划分,尽量在不影响仿真结果的前提下对模型进行简化,具体模型如图1所示:

图1 动力舱三维模型Fig.1 Engine cabin three-dimensional model

风洞模型参见文献[7-9]。1-空气滤清器;2-动力舱空气出口A、B;3-动力舱;4-发动机机体;5-消声器;6-振动轮;7-冷却风扇;8-导风罩;9-动力舱空气进口;10-液压油散热器;11-水散热器;12-中冷器;13-燃油箱

2 CFD数值仿真

温度边界、网格划分、工况选定、实验验证具体见文献[7-9],选用标准湍流模型[12,13]

在保持动力舱内各部件总体位置不变的前提下,提出3种可行的改进方案:①调整冷却风扇相对于散热器组的轴向距离。将冷却风扇沿轴向远离散热器组方向移动12.5 mm。②调整冷却风扇相对于散热器组的径向位置。将冷却风扇沿径向方向移动37 mm,使冷却风扇居中。③增加高温区域动力舱空气出口,在消声器附近增加两个空气出口。各改进方案在原方案基础上通过修改模型几何特征实施,依照改进方案分别建立模型1、模型2、模型3,具体如图2所示:

图2 改进方案模型图Fig.2 Improvement model

由图3可知

图3 改进模型风扇中心处散热器模块的温度分布Fig.3 Temperature contour of radiator module at cooling fan center of improvement model

模型3流经中冷器空气温度变化明显,该模型中水散热器内部空气绿色高温区域最小,液压油散热器下端的高温区已消失。与原模型相比,模型1、模型3中散热器散热效率有所提升,较明显特征是水散热器出口处的黄色高温区消失。

由图4可知:

图4 改进模型风扇中心处散热器模块的压力分布Fig.4 Pressure contour of radiator module at cooling fan center of improvement model

模型1散热器内部出现较大范围的连续低压区,加大冷却风扇与散热器组间的距离使得冷却风扇前端空气流动性得以充分改善。模型3散热器进出口压强差绝对值较高。与原模型相比,模型1、模型2散热器进出口压差均有所增大。

由图5可知:

图5 改进模型风扇中心处动力舱的温度分布Fig.5 Temperature contour of engine cabin at cooling fan center symmetrical place of improvement model

改进模型在冷却风扇出口处温度变化不明显,但在发动机及消声器附近温度变化较大,其中模型1中的黄色高温区范围较广。模型3中高温区域较小是由于其附近的高温气体从新增出口流出,具体见图6:

图6 改进开口处的温度云图Fig.6 Temperature contour of improved air exit

由图7可知:

图7 改进模型风扇中心处动力舱的压强云图Fig.7 Pressure contour of engine cabin at cooling fan center symmetrical place of improvement model

由于改进模型仅针对散热器模块及动力舱出口,所以动力舱内部的压强变化趋势相差不大。

3 对比分析

提取原模型与3种改进模型中散热器热流体出口温度,具体如表1所示:

表1 原始模型与改进模型热流体出口温度对比表 Table 1 Outlet temperature of thermal fluid in original and improvement models

由表1可知,改进模型3综合效果最好,该模型通过减少热空气在动力舱内的滞留时间、减少热空气回流改善了散热器模块热环境,同时改进模型3实施成本较低,易于实现。

4 结束语

以国内某型双钢轮振动压路机为研究对象,利用热交换模型和CFD数值方法对车辆散热模块换热性能进行了仿真研究。针对提出的3种改进方案分别建立模型并进行仿真,结合仿真结果对方案进行了评估,为实际的车辆散热系统设计提供了一定参考依据。

The authors have declared that no competing interests exist.

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