李元松++何立恒++劉軍

為了優(yōu)化叉車配重后方的熱場，本文首先對某型叉車水箱后方的三維數(shù)模，包括車架后部、風(fēng)扇、配重、散熱片等，進(jìn)行了合理簡化，然后進(jìn)行流體網(wǎng)格劃分，設(shè)置常見的邊界條件及求解參數(shù)，最后得到叉車后方的熱場分布。并將計算結(jié)果與試驗結(jié)果進(jìn)行了對比，二者誤差為14.1%，在控制誤差150%以內(nèi)，滿足計算要求，表明本文計算模型合理，可以此計算模型為依據(jù)，進(jìn)行后續(xù)的配重后方散熱的優(yōu)化。

一、引言

叉車車速低、負(fù)荷大，作業(yè)范圍小，使用條件惡劣，在夏季高溫季節(jié)容易出現(xiàn)水散熱器“開鍋”現(xiàn)象，為此，需要對叉車散熱系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計。叉車?yán)鋮s系統(tǒng)散熱優(yōu)化分析涉及到熱 流 固的耦合，目前散熱問題的計算分析基本采用計算流體動力學(xué)類的商業(yè)軟件。

通過對CPU熱柱散熱器的散熱性能進(jìn)行實驗研究，測試了加熱功率、風(fēng)速等主要工況不同時發(fā)熱電子元件表面的溫度，并比較分析了測試結(jié)果。運(yùn)用有限元分析軟件ANSYS對該散熱器進(jìn)行了溫度場數(shù)值模擬分析。研究在風(fēng)冷條件下，同等尺寸的普通銅柱CPU散熱器和熱柱散熱器的溫度分布。結(jié)果表明，熱柱散熱器具有良好的散熱性能，在較低風(fēng)速下也能有效地降低CPU的溫度。此外，有研究認(rèn)為變流器采用“熱管散熱器+走行風(fēng)冷”方式可簡化柜體結(jié)構(gòu)，為分析熱管散熱器的散熱性能，利用Fluent軟件分析了其流速和溫度的分布特點，結(jié)果表明熱管散熱器在較低的車輛運(yùn)行速度下仍具有較好的散熱效果。實際的現(xiàn)場應(yīng)用情況驗證了仿真結(jié)果的準(zhǔn)確性。在對汽車散熱器的物理模型單元進(jìn)行的合理的簡化處理實驗中，利用Fluent軟件，采用SIMPLE算法和標(biāo)準(zhǔn)ke湍流模型，通過求解三維NS方程和能量方程模擬了空氣在散熱器空氣側(cè)流動，水在散熱器的水側(cè)流動的雙側(cè)傳熱過程。在建立發(fā)動機(jī)艙模型的過程中，考慮到散熱器和高溫元件的散熱量以及空氣的對流傳熱和輻射等因素，利用CFD軟件對汽車發(fā)動機(jī)艙流場進(jìn)行了數(shù)值仿真，得到了發(fā)動機(jī)艙內(nèi)部氣流的速度與溫度分布和重要元件的表面溫度等參數(shù)，最后對存在的問題提出改進(jìn)方案。為考查某型直升機(jī)附件艙的熱控制能力，采用有限元軟件分析了其在強(qiáng)制冷卻和自然冷卻情況下的溫度場分布。應(yīng)用非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格和有限體積法進(jìn)行計算區(qū)域和控制方程的離散，采用標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型封閉湍流控制方程。以ATX機(jī)箱為研究對象，利用實驗和數(shù)值計算兩種手段對機(jī)箱的散熱情況進(jìn)行了研究。在對Fluent軟件進(jìn)行二次開發(fā)的基礎(chǔ)上，對機(jī)箱的風(fēng)冷散熱過程進(jìn)行了數(shù)值模擬，且對不同通風(fēng)孔位置和風(fēng)扇安裝情況下機(jī)箱的散熱性能進(jìn)行了研究，找到了有機(jī)箱散熱的最佳風(fēng)道結(jié)構(gòu)。

二、熱場實驗測試

進(jìn)行叉車散熱的優(yōu)化，需要對用于優(yōu)化的計算模型進(jìn)行驗證，為此，對與計算模型一致的叉車配重后方的溫度場及流場進(jìn)行了測試，實際測試的叉車配重及風(fēng)扇感和散熱器內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖l所示，測試時使用溫度計測量溫度，采用風(fēng)速儀測量配重后方的流速。

測量方法是，按配重孔大小將平面平分成三塊，左，中，右三個測試點，每個測試點為這一塊的平均溫度，然后從外表面開始向后lOOmm，200mm共三個平面九個測試點，測試結(jié)果如表1所示。通常情況下，越靠近配重孔，則空氣的流速越高，同時溫度也越高，這符合流速與溫度在空氣中傳播的特點，然而，本項目的測試結(jié)果與此特點相反，越遠(yuǎn)離配重孔，流速與溫度反而越高，可能是由于測試誤差引起。

三、散熱器后方溫度場數(shù)值模擬

1.數(shù)模簡化及網(wǎng)格劃分

需計算在風(fēng)扇通風(fēng)作用下散熱器后方的流場及熱場分布情況，故忽略掉風(fēng)扇前方的復(fù)雜發(fā)動機(jī)部件和支撐框，保留叉車配重、車架、車輪、通風(fēng)筒和底盤配件。因流場域要求連續(xù)，所以，必須對叉車三維模型進(jìn)行幾何修復(fù)，以保證幾何封閉和拓?fù)浞忾]，故將對流場分布影響不大的結(jié)構(gòu)部分如車架進(jìn)行填孔、補(bǔ)縫操作，將對流場分布有明顯影響的部分如叉車配重等僅進(jìn)行補(bǔ)縫操作而保留其通風(fēng)孔。由于車輪結(jié)構(gòu)稍顯復(fù)雜，按照原始尺寸重新建立簡化后的簡單結(jié)構(gòu)，由于車輪遠(yuǎn)離散熱片，對計算結(jié)果影響不大。CFX散熱分析以叉車周圍的空氣作為研究對象，因此需要建立叉車周圍的空氣模型。簡化后的叉車后方配重模型及周圍空氣模型如圖2所示。

由于本文涉及到叉車后方的流場域非常復(fù)雜，劃分結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格優(yōu)勢不大，且費(fèi)時費(fèi)力，故采用非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格劃分。叉車整體結(jié)構(gòu)是大量復(fù)雜曲面的集合，配重和通風(fēng)筒更是傳熱分析的關(guān)鍵。根據(jù)上述分析，充分考慮問題的特點，本文采用Hyper-mesh商業(yè)軟件進(jìn)行叉車后方計算模型流場域非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格劃分，網(wǎng)格劃分后局部切面顯示如圖3所示。

2.計算域設(shè)置

計算域是指一些空間的區(qū)域，流動控制方程或熱傳遞方程在這個區(qū)域內(nèi)進(jìn)行求解。單擊軟件任務(wù)欄中的域按鈕生成計算域。計算域的設(shè)置主要是（1）設(shè)置計算域所在的體、類型及所在的坐標(biāo)系；（2）定義流體材料為理想氣體；（3）設(shè)參考壓力為1個標(biāo)準(zhǔn)大氣壓，浮力、域運(yùn)動、網(wǎng)格變形三者保持默認(rèn)。

熱傳遞模型中，無熱量傳遞不考慮熱量傳輸；Isothermal（等溫模型）需給出特定溫度值，作為復(fù)雜模型的初始條件，不計算熱量傳輸；Thermal Energy（熱焓模型）只計算對流換熱及熱傳導(dǎo)，不考慮流體動能帶來的變化，適用于低速流動及不可壓縮流；Total Energy（全熱模型）在熱焓模型基礎(chǔ)上考慮流體動能帶來的熱量變化，適合高速流動及可壓縮流。本文設(shè)置熱傳遞模型為Thermal Energy模型。

湍流模型中，k-ε為最簡單的兩方程完整湍流模型；Laminar為層流模型，其控制方程為非穩(wěn)態(tài)Navier-Stokes方程，適用雷諾數(shù)較小的情況；Shear Stress Transport綜合了k-ω模型在近壁區(qū)計算的優(yōu)點和標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型在遠(yuǎn)場計算的優(yōu)點，其適用范圍較廣，可用于帶逆壓梯度的流動計算、翼型計算、跨音速激波計算等；SSG是雷諾應(yīng)力模型的一種，在計算漩渦流體時特別精確；BSL是基于ω方程的雷諾應(yīng)力模型。本文設(shè)置湍流模型為Shear StressTransport模型。endprint

3.邊界條件

本文計算時設(shè)置流體流動性質(zhì)為亞音速模式，設(shè)置流體流入計算域的方式為標(biāo)準(zhǔn)速度，方向垂直于入口面。湍流動能系數(shù)設(shè)為默認(rèn)值Medium（Intensity=5%），適合于大部分的計算。設(shè)置邊界處溫度為靜態(tài)溫度，指定熱力學(xué)溫度值。

根據(jù)散熱器后方風(fēng)速與風(fēng)溫的分塊測量結(jié)果，將散熱器邊界分為15塊設(shè)置不同的入口邊界條件，如表2所示，試驗測量結(jié)果如表3所示。

根據(jù)測試結(jié)果，設(shè)定尾噴管入口流速30m/s，溫度45℃。設(shè)置自由流出口邊界條件以模擬無限大氣，設(shè)為亞音速流動，參考壓強(qiáng)OPa。

4.計算結(jié)果

計算得到配重前后方的溫度分布如圖4所示，可以看出，最高溫度為47℃，最低溫度為17℃，溫度分布梯度較高，同時可見配重前方有溫度分布，這些溫度分布是由于散熱器的熱量由風(fēng)速帶出配重孔的同時，部分遇到配重壁面才生了熱空氣的回流，導(dǎo)致熱量難以散出，從散熱的角度考慮這是極為不利的。圖5表明配重后方的空氣流速最高可以達(dá)到3lm/s，同時在配重前方有回流現(xiàn)象，與溫度的分布一致。

從計算結(jié)果中取出配重后方散熱孔處的平面，計算平面的溫度分布如圖6-8所示，將平面大致均分為左、中、右三塊，計算每一塊的平均溫度，以便與試驗結(jié)果進(jìn)行對比。

計算得到左中右三塊的溫度分布，每一塊的平均溫度如表4所示，可見，左邊平均溫度最高，中間平均溫度最低。

四、計算結(jié)果與試驗結(jié)果對比及誤差分析

鑒于上述分析認(rèn)為試驗測試時可能存在誤差，所以這里擬采用誤差最小的配重外表面的溫度分布作為依據(jù)，驗證數(shù)值計算模型的合理性。同時，計算得到配重孔表面左中右三塊的溫度分布，于是，得到配重孔外表面的實驗溫度和計算溫度分布如表5所示。實驗溫度測量總和為105.7℃，計算溫度總和為90.8℃，二者相對誤差為14.1%，在項目要求的誤差15%以內(nèi)。

首先，本項目計算結(jié)果與試驗結(jié)果的誤差為8%，在工程中要求的15%以內(nèi)，表明本文的計算模型是合理的，為了更進(jìn)一步認(rèn)識本文流體計算過程，對計算中的誤差進(jìn)行深入的分析。實際的物理過程是，高溫的水和油通入散熱器，后面的風(fēng)扇轉(zhuǎn)動使空氣流動，將散熱器上的熱量從配重孔帶出去，然而，散熱器的幾何模型相當(dāng)復(fù)雜，將其劃分網(wǎng)格考慮進(jìn)計算模型是不現(xiàn)實的。所以，本項目對散熱器進(jìn)行了簡化，直接將散熱器后方的溫度場及流場作為邊界條件加入到模型中，這種簡化所引起的誤差在工程允許的范圍內(nèi)，是合理的。計算中加在散熱器上的溫度和流速及尾噴管的溫度和流速是試驗測試得到的，試驗測量存在一定的誤差，所以，以此作為邊界輸入條件得到的計算結(jié)果必然存在誤差。

五、結(jié)語

本文針對某型叉車水箱后方的三維數(shù)模，進(jìn)行了合理簡化，進(jìn)行流體網(wǎng)格劃分，設(shè)置常見的邊界條件及求解參數(shù)，最后得到叉車后方的熱場分布。并將計算結(jié)果與試驗結(jié)果進(jìn)行了對比，二者吻合較好，表明本文計算模型的合理性。

本文將散熱器出口的空氣溫度及流場直接加在模型上，計算時不考慮散熱器本身的熱傳遞及風(fēng)扇的旋轉(zhuǎn)，這樣的簡化更能反映配重后方的溫度場分布，既減少了計算誤差，又增加了計算效率，為后面配重的優(yōu)化奠定了基礎(chǔ)。endprint