DOI: 10.11817/j.issn.1672-7207.2016.06.040
工程机械分离式冷却系统流动传热数值仿真
傅佳宏，俞小莉，刘震涛，黄钰期
(浙江大学 能源工程学院，浙江 杭州，310027)
摘要：采用计算流体力学(CFD)和数值传热学(NHT)方法对工程机械分离式冷却系统进行数值仿真分析，利用三维实体风扇和热交换器模型构建4种分离式冷却系统模型，并进行流动传热和风扇匹配特性分析。研究结果表明：在相同热交换器布置形式下，吸风式风扇方案功耗更低；在相同风扇形式下，热交换器正交布置方案流动传热性能更优；最后，采用冷却系统性能系数(Q/W)以及匹配特性曲线对这4种分离式冷却系统进行综合性能分析，可知吸风式风扇、热交换器正交布置方案最节能。
关键词：分离式冷却系统；流动传热；数值仿真；热交换器；风扇
中图分类号：TK424.3 文献标志码：A 文章编号：1672-7207(2016)06-2119-06
Numerical study of flow and heat transfer on construction machinery detached vehicular cooling system
FU Jiahong, YU Xiaoli, LIU Zhentao, HUANG Yuqi
(School of Energy Engineering, Zhejiang University, Hangzhou 310027, China)
Abstract: Computational fluid dynamics (CFD) and numerical heat transfer (NHT) study of flow and heat transfer on construction machinery detached cooling system were presented. Four detached cooling system numerical models were created by three-dimensional entity fan and heat exchanger models, and the analyses of fluid flow and heat transfer as well as fan matching were carried out. The results show that with the same heat exchangers’ arrangement, the scheme with induced fan has a lower power consumption; with the same fan configuration, the scheme with orthogonal heat exchangers has a better thermal performance. Finally, the comprehensive performances of these 4 detached cooling systems were evaluated with the coefficient of performance (Q/W) and the matching curves of cooling system, so the schemes with induced fan or orthogonal heat exchangers is the most energy saving one.
Key words: detached vehicular cooling system; flow and heat transfer; numerical simulation; heat exchanger; fan
在传统工程机械中，冷却系统与发动机都布置在同一舱中，冷却风扇由发动机驱动，热交换器均以串联的方式布置在风扇轴线上。然而，随着发动机功率密度的提高，增压中冷等技术的应用使冷却系统中热交换器的数量、尺寸以及热负荷不断提高，风扇功耗不断增加，但仍无法满足日益增加的散热需求。在这种情况下，传统冷却系统布置形式下多热交换器的不断叠加不仅造成热交换器之间互相干扰，换热效率低下，且使冷却空气侧阻力急剧增加，增加了风扇直径与功耗。另外，动力舱有限空间内各个部件的互相干扰也使流动组织更困难，不仅增加了风扇阻力[1-2]，还易造成热风回流[3]，进一步降低冷却系统效率，增加风扇功耗。近年来，分离式冷却系统越来越多地应用于国外大型工程机械产品以及国内军用特种车辆中，韩松等[4]也提出了类似设计，该新型冷却系统把热交换器、冷却风扇、导风罩等分离形成相对独立于动力舱的散热舱，以减少流动干扰、增加热交换器迎风面积。但目前对于分离式冷却系统的研究工作还处于起步阶段，较多的研究都集中在传统串联式散热模块上，吕锋等[5-7]开展了间距、密封性及多风扇系统对车用散热器模块性能影响的风洞试验研究；HALLQVIST[8]通过数值模拟研究了车辆动力舱内各个部件对散热器模块流动与传热的影响，而对于工程机械新型分离式冷却系统的相关研究以及相应的设计计算分析的文献报道较少。因此，本文作者通过计算流体力学(CFD)和数值传热学(NHT)方法建立不同结构形式的分离式冷却系统计算模型，采用CFD和NHT方法进行数值仿真分析，研究其流动传热变化规律，比较不同分离式冷却系统在工程应用中的优劣，为分离式冷却系统的优化设计匹配提供参考。
1 冷却系统数值仿真模型
1.1 热交换器模型
热交换器阻力特性采用多孔介质模拟，多孔介质参数主要通过试验拟合得到或根据翅片的结构参数根据经验公式计算得到，文中所用散热器翅片为平直翅片，因此，采用以下试验拟合式[9]进行计算：
式中：f为热交换器的摩擦因数；Fh为翅片高；δ为翅片厚度；Ld为沿流向翅片长度；Dc为翅片通道的水力直径；Re为翅片通道雷诺数。
按照上述经验公式计算各流速下的f因子，推出散热器压力损失Δp与流速u之间的关系，再根据改进型达西公式进行多项式拟合[10]，即
式中：μ为动力黏度，kg/(m·s)；uj为流速，m/s；α-1为黏性阻力系数，m-2；ρ为流体密度；C2为惯性阻力系数，m-2。α-1和C2即为多孔介质模型的主要参数。
热交换器传热特性采用商用软件Fluent的热交换器模型[10]进行模拟，该方法采用六面体网格将热交换器区域离散成m×n个子热交换器单元，对每个热交换器单元采用效能-传热单元数法进行一维热平衡计算，从而得到整个热交换器的温度场分布与换热量。热交换器冷却空气侧数据来自三维数值仿真，热侧流体数据来自热交换器一维性能仿真，热交换器区域与冷却空气侧流体区域之间采用非正则网格进行数据传递与交换。
1.2 风扇模型及实验验证
采用MRF(Markov random field)算法进行风扇性能仿真，该方法在风扇流体区域建立多重参考坐标系，坐标系能够随着流体的旋转而不断重建。紊流模型采用RNG k-ε模型。根据文献[11-13]建立虚拟风洞，进行风扇性能数值模拟。其中，风洞直径为1/2导风罩与风扇直径之和，风扇入口段为4倍风洞直径，出口段为6倍风洞直径。
图1所示为风扇网格，为了更好地模拟风扇的流动特性，在其几何叶形处进行网格加密，风扇区域网格总数为372万。
图2所示为风扇气动性能实验值与仿真值对比图。由图2可以看出：在风扇工作范围内，实验值与仿真值吻合较好，且趋势一致，其最大相对误差约为5%。分析其原因，在风扇数值仿真中，MRF模型是对风扇流场的稳态近似模拟，另外仿真模型考虑导风罩对于风扇的影响，因此，仿真值略低于实验值。
图1 轴流风扇网格
Fig. 1 Grid of axial flow fan
图2 风扇静压-流量曲线
Fig. 2 Curve of fan static pressure-volume
1.3 分离式冷却系统模型
构建分离式冷却系统数值仿真模型，研究在相同散热舱体结构下，散热器布置位置、风扇形式等对散热器性能的影响，形成4种分离式冷却系统方案，分别是散热器平行布置吸风式风扇(A)，散热器平行布置吹风式风扇(B)，散热器正交布置吸风式风扇(C)以及散热器正交布置吹风式风扇(D)。4种分离式冷却系统配置方案如图3所示。
图3 分离式冷却系统配置方案
Fig. 3 Configuration of detached cooling system
设置统一数值仿真边界条件，中冷器热空气侧流量为0.36 kg/s，进口温度为170 ℃；水散热器液侧流量为5 kg/s，进口温度为85 ℃；冷却空气设置为理想不可压缩气体，空气密度变化只与温度有关，进口温度为30 ℃，进出口表压为0 Pa。
几何模型采用Hypermesh进行网格划分，采用Fluent商业软件、基于压力的耦合求解器进行控制方程的数值求解。在32CPU，64 G内存，2 T硬盘工作站上进行计算，冷态仿真模型约2 h收敛，热态仿真约8 h收敛。
2 分离式冷却系统仿真结果分析
2.1 风扇功耗分析
对风扇叶形进行受力分析，对风扇面网格上轴向主受力方向进行矢量叠加，得到风扇扭矩信息，根据以下公式得到风扇功耗P与风扇功率系数
(量纲一的量)，分别代表风扇功耗与风扇作功能力。
式中：n为风扇转速，r/min；T为风扇扭矩，N·m；A为风扇侧面面积，m2；u为风扇圆周速度，m/s。
图4 冷却风扇性能曲线
Fig. 4 Performance curves of cooling fan
图4所示为风扇功耗曲线与风扇功率系数曲线。从图4可以看出：方案C中风扇具有最高的作功能力与最低的风扇功耗。为了对比分析不同结构冷却系统的具体流动状态，取风扇转速为1.8×103 r/min时的流场和压力计算结果进行分析，速度云图和压力云图如图5和图6所示。从图5和图6可以看出：方案C中的舱体内流线最为均匀且没有明显的涡流，冷却空气通过热交换器之后在舱体远端进行交汇，热交换器之间互相干扰相对较小。因此，风扇所处的流动状态更好，风扇功耗更低，作功能力更强。
2.2 分离式冷却系统匹配分析
图7所示为分离式冷却系统匹配曲线。从图7可以看出：对比吹风式方案与吸风式方案，吸风式方案A和方案C更合理，其系统阻力曲线更平顺，风扇的运行更稳定，而吹风式方案B和方案D中存在工况突变点，分析其原因，吹风式方案中舱体内部冷却空气流动较为紊乱，而风扇运行状态与舱体内冷却空气的流动状态互相耦合，更稳定的冷却空气流动能保证风扇的运行状态更为稳定，增加系统可靠性。
图5 分离式冷却系统速度云图与流线对比
Fig. 5 Comparison of velocity contour and streamline in detached cooling system
图6 分离式冷却系统压力云图与流线对比
Fig. 6 Comparison of pressure contour and streamline in detached cooling system
从图7还可知：在相同吸风式方案中，热交换器之间的相对位置是风扇工作点改变的主要原因。在热交换器正交布置的方案C中，风扇的工作点更理想，在相同的风扇转速下，系统具有更小的流动阻力，更大的冷却风量。
图7 分离式冷却系统匹配曲线
Fig. 7 Match curves of detached cooling system
2.3 传热性能分析
从风扇功耗以及冷却系统匹配分析中可以看出：吹风式风扇并不适用于分离式冷却系统，因此，主要分析吸风式方案中热交换器的传热性能。图8所示为分离式冷却系统换热量曲线。
从图8可以看出：与流动分析结果一致，在冷却风量更高的方案C中，热交换器的传热能力也更强，与传统串联式散热模块不同，在分离式冷却系统中，各热交换器之间相对独立，冷却空气同时从外界环境进入热交换器，可忽略冷却空气通过某个热交换器之后冷却空气温升对另一个热交换器传热性能的影响。
但是过大的分离式冷却系统空间会造成空间布置方面的问题，因此，在今后的研究中，分离式散热系统的空间结构优化也是重要课题，在控制散热舱体积的前提下需要尽可能减小热交换器之间的互相干扰。
2.4 综合性能分析
为了使上述分离式冷却系统的分析结果更具有普适性，综合分析分离式冷却系统中风扇功耗，风扇形式与热交换器传热能力之间的关系，本文选取性能系数(量纲一的量)，即相同风扇转速下系统总换热量Q与风扇功耗W的比(Q/W)[14]作为分离式冷却系统的综合性能评价标准。评价结果如图9所示。
图8 分离式冷却系统换热量曲线
Fig. 8 Heat rejection curves of detached cooling system
图9 分离式冷却系统性能系数曲线
Fig. 9 Performance coefficient curves of detached cooling system
由图9可知：与前述分析结果一致，采用吸风式风扇的分离式冷却系统比吹风式方案的系统好，在采用相同吸风式方案的分离式冷却系统中，热交换器正交布置方案比热交换器对置布置方案好。
当以性能系数(量纲一的量)作为评价指标时，可很好地反映系统性能的影响因素，在本文研究的分离式冷却系统中风扇形式是影响性能的主要因素；在相同风扇形式下，则其传热性能主要受热交换器之间相对位置的影响。
通过性能系数(量纲一的量)评价，本文得到结论，综合考虑风扇形式，风扇功耗与散热器传热能力，方案C，即采用吸风式风扇、热交换器正交布置的分离式冷却系统方案最为节能。但是该最优方案是在特定风扇，特定热交换器的比较中得出的，其适用性有待进一步探索研究。
3 结论
1) 在4种分离式冷却系统中，从风扇功耗角度分析，吹风式风扇作功能力较低，且风扇功耗较大，不宜采用吹风式风扇。
2) 在冷却风扇与4种分离式冷却系统的匹配分析中发现方案C中风扇与冷却系统的匹配最好，此时系统阻力最小，冷却风量最大。
3) 在4种分离式冷却系统的传热性能中发现传热性能与流动性能具有一致性，分离式冷却系统中热交换器之间的流动传热干扰较小，因此冷却空气侧流动性能较好的方案具有较好的传热能力。
4) 采用性能系数(量纲一的量)对4种分离式冷却系统方案进行性能评价，评价结果能综合反映各因素对于分离式冷却系统性能的影响。方案C，即采用吸风式风扇，热交换器正交布置的分离式冷却系统方案为最节能方案。
5) 分离式冷却系的最大优点是系统进出口都为大气环境，没有发动机、排气管等额外部件的阻挡，相比传统串联结构散热模块，分离式冷却系统热交换器之间的互相干扰更小，换热效率更高。
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(编辑 刘锦伟)
收稿日期：2015-06-21；修回日期：2015-08-03
基金项目(Foundation item)：国家自然科学基金资助项目(51206141)(Project(51206141) supported by the National Natural Science Foundation of China)
通信作者：黄钰期，副教授，从事车辆相关计算流体力学研究；E-mail：huangyuqi@zju.edu.cn
