前置客車發(fā)動(dòng)機(jī)艙散熱性能分析與提升

1、前置客車發(fā)動(dòng)機(jī)艙散熱性能分析與提升數(shù)值計(jì)算前處理數(shù)值計(jì)算前處理 模型標(biāo)定模型標(biāo)定流場(chǎng)與溫度場(chǎng)特性分析流場(chǎng)與溫度場(chǎng)特性分析 1 2 3結(jié)構(gòu)改進(jìn)對(duì)機(jī)艙熱環(huán)境的影響結(jié)構(gòu)改進(jìn)對(duì)機(jī)艙熱環(huán)境的影響總結(jié)總結(jié)主要主要結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu) 4 5是否否計(jì)算結(jié)果分析與結(jié)構(gòu)改進(jìn)方案典型工況 實(shí)驗(yàn)測(cè)試典型工況下數(shù)值計(jì)算改進(jìn)后典型工況下數(shù)值計(jì)算建立簡(jiǎn)化物理模型網(wǎng)格化處理建立數(shù)值模型優(yōu)化后計(jì)算結(jié)果分析改進(jìn)是否有效？確定改進(jìn)方案模型標(biāo)定計(jì)算模型是否可靠？是改進(jìn)驗(yàn)證 實(shí)驗(yàn)測(cè)試技術(shù)路線軟件平臺(tái):1、solidworks2、ansys14.0l簡(jiǎn)化幾何模型簡(jiǎn)化幾何模型 車身結(jié)構(gòu)考慮格柵對(duì)于前端進(jìn)風(fēng)的影響，忽略車周后車身結(jié)構(gòu)考慮格柵對(duì)于前端進(jìn)

2、風(fēng)的影響，忽略車周后視鏡、擋風(fēng)玻璃等結(jié)構(gòu)；視鏡、擋風(fēng)玻璃等結(jié)構(gòu)； 機(jī)艙內(nèi)考慮懸架、轉(zhuǎn)向和制動(dòng)等機(jī)艙內(nèi)考慮懸架、轉(zhuǎn)向和制動(dòng)等系統(tǒng)的影響；對(duì)艙內(nèi)細(xì)小的管道、電纜等以及對(duì)流場(chǎng)影響系統(tǒng)的影響；對(duì)艙內(nèi)細(xì)小的管道、電纜等以及對(duì)流場(chǎng)影響不大的部件予以忽略或簡(jiǎn)化處理。不大的部件予以忽略或簡(jiǎn)化處理。1 數(shù)值計(jì)算前處理數(shù)值計(jì)算前處理l全流場(chǎng)計(jì)算域選擇全流場(chǎng)計(jì)算域選擇 一般原則：一般原則：車前方車前方3 3倍車長(zhǎng)，車后方倍車長(zhǎng)，車后方6 6倍車長(zhǎng)，車上方倍車長(zhǎng)，車上方5 5倍車倍車高，車側(cè)面高，車側(cè)面6 6倍車寬。倍車寬。3l6l6hlh2.5ww2.5wl網(wǎng)格劃分網(wǎng)格劃分 發(fā)動(dòng)機(jī)艙及車周區(qū)域發(fā)動(dòng)機(jī)艙及車周區(qū)域采用

3、非結(jié)構(gòu)性網(wǎng)格，遠(yuǎn)離車采用非結(jié)構(gòu)性網(wǎng)格，遠(yuǎn)離車周的外流場(chǎng)區(qū)域采用結(jié)構(gòu)性周的外流場(chǎng)區(qū)域采用結(jié)構(gòu)性網(wǎng)格。全流場(chǎng)共生成混合體網(wǎng)格。全流場(chǎng)共生成混合體單元單元1060萬(wàn)。萬(wàn)。 考慮到發(fā)動(dòng)機(jī)艙流場(chǎng)考慮到發(fā)動(dòng)機(jī)艙流場(chǎng)梯度較大，對(duì)其周圍進(jìn)行梯度較大，對(duì)其周圍進(jìn)行網(wǎng)格加密。網(wǎng)格加密。l邊界條件邊界條件名稱名稱設(shè)置設(shè)置入口條件入口條件 速度入口速度入口 湍流強(qiáng)度湍流強(qiáng)度 i=5%環(huán)境溫度環(huán)境溫度30出口條件出口條件壓力出口壓力出口 101325pa非發(fā)熱部件非發(fā)熱部件固壁無(wú)滑移壁面固壁無(wú)滑移壁面發(fā)熱部件發(fā)熱部件溫度壁面溫度壁面地面地面移動(dòng)壁面移動(dòng)壁面散熱器、中冷器散熱器、中冷器換熱器模型換熱器模型風(fēng)扇風(fēng)扇三維實(shí)體

4、風(fēng)扇三維實(shí)體風(fēng)扇mrf模型模型壓力出口 固壁滑移地面速度入口 外流場(chǎng)邊界示意圖外流場(chǎng)邊界示意圖 模擬中汽車被認(rèn)為是勻速向前運(yùn)動(dòng)的，來(lái)流方向垂直于車頭平面。l邊界條件邊界條件 機(jī)艙傳感器布置機(jī)艙傳感器布置 溫度測(cè)試監(jiān)控溫度測(cè)試監(jiān)控p1-機(jī)艙后部 p2-增壓器與發(fā)電機(jī)間 p3-機(jī)艙右部 p4-空濾后上方 p5-左前輪上方 p6-油底殼左下方l邊界條件邊界條件 發(fā)動(dòng)機(jī)艙空間點(diǎn)示意圖發(fā)動(dòng)機(jī)艙空間點(diǎn)示意圖 空間截面示意圖空間截面示意圖y= -600mmy= -600mm2 模型標(biāo)定模型標(biāo)定周圍的溫度在周圍的溫度在31-42.831-42.8范圍，進(jìn)行積分平均得到溫度約為范圍，進(jìn)行積分平均得到溫度約為37

5、.437.4。l空氣濾清器空氣濾清器x=1700mmx=1700mm周圍的溫度在周圍的溫度在29.5-3929.5-39范圍，進(jìn)行積分平均得到溫度約為范圍，進(jìn)行積分平均得到溫度約為34.234.2。l副水箱副水箱 該區(qū)域流場(chǎng)梯度較大，其周圍的溫度在該區(qū)域流場(chǎng)梯度較大，其周圍的溫度在34.3-53.834.3-53.8之間，之間，進(jìn)行積分平均得到溫度約為進(jìn)行積分平均得到溫度約為43.643.6。進(jìn)氣總管截面溫度云圖（進(jìn)氣總管截面溫度云圖（z=230mm）z=230mmz=230mml進(jìn)氣總管進(jìn)氣總管l標(biāo)定分析標(biāo)定分析 部件部件 溫度（溫度（）計(jì)算值計(jì)算值實(shí)驗(yàn)值實(shí)驗(yàn)值 誤差（誤差（%）空氣濾清器空

6、氣濾清器37.439.34.8副水箱副水箱34.233.42.4進(jìn)氣總管進(jìn)氣總管43.641.94.1空間點(diǎn)空間點(diǎn) 溫度（溫度（）計(jì)算值計(jì)算值實(shí)驗(yàn)值實(shí)驗(yàn)值 誤差（誤差（%）p167.270.24.3p261.386.128.8p364.466.83.6p449.651.53.7p552.152.81.3p649.252.35.9非發(fā)熱壁面溫度計(jì)算值與實(shí)驗(yàn)值對(duì)比非發(fā)熱壁面溫度計(jì)算值與實(shí)驗(yàn)值對(duì)比機(jī)艙空間點(diǎn)溫度計(jì)算值與實(shí)驗(yàn)值對(duì)比機(jī)艙空間點(diǎn)溫度計(jì)算值與實(shí)驗(yàn)值對(duì)比以最大扭矩點(diǎn)工況進(jìn)行模型標(biāo)定，其結(jié)果如下：以最大扭矩點(diǎn)工況進(jìn)行模型標(biāo)定，其結(jié)果如下： 點(diǎn)點(diǎn)p2p2位于渦輪增壓器旁，實(shí)驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)由于渦輪增壓器被橡

7、膠罩包裹其壁面溫位于渦輪增壓器旁，實(shí)驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)由于渦輪增壓器被橡膠罩包裹其壁面溫度無(wú)法測(cè)試，導(dǎo)致出現(xiàn)較大偏差。實(shí)際操作時(shí)傳感器的布置位置及其精度等也度無(wú)法測(cè)試，導(dǎo)致出現(xiàn)較大偏差。實(shí)際操作時(shí)傳感器的布置位置及其精度等也存在誤差。綜合考慮并參照文獻(xiàn)，認(rèn)為誤差在存在誤差。綜合考慮并參照文獻(xiàn)，認(rèn)為誤差在10%10%以內(nèi)模型是可靠。以內(nèi)模型是可靠。l發(fā)動(dòng)機(jī)艙流場(chǎng)特性分析發(fā)動(dòng)機(jī)艙流場(chǎng)特性分析3 流場(chǎng)與溫度場(chǎng)特性分析流場(chǎng)與溫度場(chǎng)特性分析最大扭矩點(diǎn)最大扭矩點(diǎn) y=0y=0額定功率點(diǎn)額定功率點(diǎn)l發(fā)動(dòng)機(jī)艙溫度場(chǎng)特性分析發(fā)動(dòng)機(jī)艙溫度場(chǎng)特性分析 經(jīng)過(guò)油底殼、散熱經(jīng)過(guò)油底殼、散熱器下部和變速器等部件。器下部和變速器等部件。

8、油底殼周圍的空氣溫度油底殼周圍的空氣溫度6060左右，散熱器前面左右，散熱器前面有部分回流熱空氣，溫有部分回流熱空氣，溫度約度約4545。在扭矩點(diǎn)和。在扭矩點(diǎn)和功率點(diǎn)，散熱器下部的功率點(diǎn)，散熱器下部的溫度分別約溫度分別約7575和和100100。 z=-150mm z=-150mm額額定定功功率率點(diǎn)點(diǎn) 最最大大扭扭矩矩點(diǎn)點(diǎn) z=75mm z=75mm 經(jīng)過(guò)缸體、冷卻系中經(jīng)過(guò)缸體、冷卻系中部以及空氣濾清器與副水部以及空氣濾清器與副水箱上部。最大扭矩點(diǎn)和額箱上部。最大扭矩點(diǎn)和額定功率點(diǎn)工況下，散熱器定功率點(diǎn)工況下，散熱器中部的最高溫度分別約中部的最高溫度分別約7878和和9090，空濾后上方，空濾

9、后上方的溫度分別為的溫度分別為5050和和4646左右。左右。l發(fā)動(dòng)機(jī)艙溫度場(chǎng)特性分析發(fā)動(dòng)機(jī)艙溫度場(chǎng)特性分析額額定定功功率率點(diǎn)點(diǎn) 最最大大扭扭矩矩點(diǎn)點(diǎn) z=300mmz=300mml發(fā)動(dòng)機(jī)艙溫度場(chǎng)特性分析發(fā)動(dòng)機(jī)艙溫度場(chǎng)特性分析 經(jīng)過(guò)缸蓋，進(jìn)氣歧經(jīng)過(guò)缸蓋，進(jìn)氣歧管、排氣歧管和渦輪增管、排氣歧管和渦輪增壓器等部件。在兩種工壓器等部件。在兩種工況下，散熱器上部都出況下，散熱器上部都出現(xiàn)一定的積熱，進(jìn)氣歧現(xiàn)一定的積熱，進(jìn)氣歧管周圍的空氣溫度則分管周圍的空氣溫度則分別在別在4040和和4545左右。左右。另外，發(fā)動(dòng)機(jī)艙前端左另外，發(fā)動(dòng)機(jī)艙前端左右兩側(cè)都有部分回流熱右兩側(cè)都有部分回流熱空氣，溫度約空氣，溫

10、度約4040。額額定定功功率率點(diǎn)點(diǎn) 最最大大扭扭矩矩點(diǎn)點(diǎn) l方案方案1：風(fēng)扇導(dǎo)流罩：風(fēng)扇導(dǎo)流罩4 結(jié)構(gòu)改進(jìn)對(duì)機(jī)艙熱環(huán)境的影響結(jié)構(gòu)改進(jìn)對(duì)機(jī)艙熱環(huán)境的影響風(fēng)扇導(dǎo)流罩風(fēng)扇導(dǎo)流罩 h1=h/2h2=2h/3l方案方案1：風(fēng)扇導(dǎo)流罩：風(fēng)扇導(dǎo)流罩h1h1最大扭矩點(diǎn)最大扭矩點(diǎn) h2h2最大扭矩點(diǎn)最大扭矩點(diǎn) l方案方案2：鼓包圓弧面：鼓包圓弧面 將臺(tái)階式連接改為圓弧相切連接，過(guò)渡半徑將臺(tái)階式連接改為圓弧相切連接，過(guò)渡半徑180.6mm。l方案方案2：鼓包圓弧面：鼓包圓弧面 額定功率點(diǎn)額定功率點(diǎn) 改進(jìn)后渦流幾乎消失，流場(chǎng)整體出流速度增大，特別是在額改進(jìn)后渦流幾乎消失，流場(chǎng)整體出流速度增大，特別是在額定功率下，速

11、度增大十分明顯。定功率下，速度增大十分明顯。 最大扭矩點(diǎn)最大扭矩點(diǎn) l方案方案3：散熱器導(dǎo)風(fēng)罩：散熱器導(dǎo)風(fēng)罩 導(dǎo)風(fēng)罩在導(dǎo)風(fēng)罩在115115夾角夾角極限位置時(shí)，最大扭矩工極限位置時(shí)，最大扭矩工況下導(dǎo)風(fēng)罩表面最大速度況下導(dǎo)風(fēng)罩表面最大速度約約9m/s9m/s，在額定功率工況，在額定功率工況下，最大速度約下，最大速度約22m/s22m/s。 額定功率點(diǎn)額定功率點(diǎn) 最大扭矩點(diǎn)最大扭矩點(diǎn)l方案方案3：散熱器導(dǎo)風(fēng)罩：散熱器導(dǎo)風(fēng)罩中冷器進(jìn)風(fēng)量中冷器進(jìn)風(fēng)量 中冷器進(jìn)風(fēng)量中冷器進(jìn)風(fēng)量 散熱器出口面平均溫度散熱器出口面平均溫度 方案方案內(nèi)容內(nèi)容方案方案1風(fēng)扇導(dǎo)流罩風(fēng)扇導(dǎo)流罩(h2)方案方案2風(fēng)扇導(dǎo)流罩風(fēng)扇導(dǎo)流罩(

12、h2)+散熱器導(dǎo)風(fēng)罩散熱器導(dǎo)風(fēng)罩方案方案3風(fēng)扇導(dǎo)流罩風(fēng)扇導(dǎo)流罩(h2)+散熱器導(dǎo)風(fēng)罩散熱器導(dǎo)風(fēng)罩+鼓包圓弧面鼓包圓弧面4 結(jié)構(gòu)改進(jìn)對(duì)機(jī)艙熱環(huán)境的影響結(jié)構(gòu)改進(jìn)對(duì)機(jī)艙熱環(huán)境的影響l方案比較方案比較l最大扭矩點(diǎn)發(fā)動(dòng)機(jī)艙空間流線對(duì)比最大扭矩點(diǎn)發(fā)動(dòng)機(jī)艙空間流線對(duì)比l最大扭矩點(diǎn)縱向?qū)ΨQ面溫度對(duì)比（最大扭矩點(diǎn)縱向?qū)ΨQ面溫度對(duì)比（y=0）l各方案空間點(diǎn)溫度各方案空間點(diǎn)溫度l散熱器出口面平均溫度散熱器出口面平均溫度 相比初始模型，各方案溫度均有所降低，但方案相比初始模型，各方案溫度均有所降低，但方案2 2和方案和方案3 3比方案比方案1 1的效果更好，從而也驗(yàn)證了散熱器導(dǎo)風(fēng)罩的作用。綜合的效果更好，從而也驗(yàn)證了散熱器導(dǎo)風(fēng)罩的作用。綜合所有的分析結(jié)果可知，方案所有的分析結(jié)果可知，方案3 3為最佳方案。為最佳方案。123455 總結(jié)總結(jié) 冷卻系出風(fēng)口的回流對(duì)機(jī)艙內(nèi)溫度分布影響明顯，而合冷卻系出風(fēng)口的回流對(duì)機(jī)艙內(nèi)溫度分布影響明顯，而合理地設(shè)計(jì)風(fēng)扇導(dǎo)流罩能有效改善這一問(wèn)題。理地設(shè)計(jì)風(fēng)扇導(dǎo)流罩能有效改善這一問(wèn)題。鼓包罩后端的臺(tái)階式連接增大了流動(dòng)阻力，阻礙了熱流散鼓包罩后端的臺(tái)階式連接增大了流動(dòng)阻力，阻礙了熱流散發(fā)，改為圓弧相切連接則能較好地改善出風(fēng)環(huán)境。發(fā)，改為圓弧相切連接則能較好地