王寶中，劉佳鑫，，邢夢龍，龍海洋，蔣炎坤，高玲煥

(1.華北理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，河北唐山 063009;2.華中科技大學(xué)能源與動力工程學(xué)院，湖北武漢 430074)

多點(diǎn)測試在工程車輛冷卻性能預(yù)測中的應(yīng)用

王寶中1，劉佳鑫1，2，邢夢龍1，龍海洋1，蔣炎坤2，高玲煥1

(1.華北理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，河北唐山 063009;2.華中科技大學(xué)能源與動力工程學(xué)院，湖北武漢 430074)

為了評估工程車輛各進(jìn)氣口空氣流量對冷卻性能的影響，采用16個(gè)測試點(diǎn)對國內(nèi)某型號250馬力推土機(jī)分區(qū)域測定空氣流速，建立關(guān)于進(jìn)氣口比例系數(shù)的工程車輛冷卻性能預(yù)測模型。結(jié)果表明:該預(yù)測模型可在一定誤差內(nèi)快速地獲取動力艙的進(jìn)氣狀態(tài);確定進(jìn)氣口B和D處的空氣流動效果相對較好，C和G處相對較差;結(jié)合-NTU法建立關(guān)于比例系數(shù)的冷卻性能預(yù)測模型，實(shí)現(xiàn)對改進(jìn)方案的有效評估。

多點(diǎn)測試;工程車輛;冷卻性能;預(yù)測模型

試驗(yàn)有2種具體的實(shí)施方案，即通過測試散熱器表面或者動力艙進(jìn)口獲取進(jìn)氣量，設(shè)備可采用多通道葉輪測速系統(tǒng)，如東京計(jì)裝RF-2000風(fēng)速測試儀［7-9］。然而，受諸多因素影響，許多中小企業(yè)并不具備該設(shè)備儀器，更為普遍的是單點(diǎn)手持測試設(shè)備。因此，如何利用手持設(shè)備實(shí)現(xiàn)對進(jìn)氣口空氣狀態(tài)的有效測量并評估其對冷卻性能的影響，成為了行業(yè)內(nèi)有待解決的問題之一。

本文針對國內(nèi)某型號250馬力推土機(jī)，采用多點(diǎn)測試的方法獲取動力艙進(jìn)氣口處的空氣狀態(tài)，分析各進(jìn)氣口在進(jìn)氣量中所占比重，建立關(guān)于比例系數(shù)的冷卻性能模型，實(shí)現(xiàn)對各進(jìn)氣口改進(jìn)方案的有效評估。

1 試驗(yàn)方法和方案

1．1 試驗(yàn)樣車

試驗(yàn)樣車為國內(nèi)某型號250馬力推土機(jī)，如圖1所示。其發(fā)動機(jī)采用184 kW渦輪增壓6缸柴油機(jī)，額定轉(zhuǎn)速為 2100 r·min－1，整車質(zhì)量為 23800 kg，接地比壓為 71．9 kPa。

圖1 測試樣車

1．2 試驗(yàn)工況

為了測試車輛進(jìn)氣狀況，將試驗(yàn)工況設(shè)定為空擋原地油門全開。

1．3 試驗(yàn)設(shè)備

采用2種葉輪式風(fēng)速風(fēng)溫儀測量進(jìn)氣狀態(tài)，根據(jù)空氣進(jìn)口處的位置和狀態(tài)，選擇適當(dāng)?shù)脑O(shè)備分別測取數(shù)據(jù)，如圖2所示。

圖2 葉輪式風(fēng)速風(fēng)溫儀

1．4 測試目標(biāo)及測試點(diǎn)劃分

試驗(yàn)樣車共有7個(gè)進(jìn)氣口，分別命名為進(jìn)氣口A～G，具體分布如下:A、B位于動力艙右側(cè)，D、E位于動力艙左側(cè)，C、F、G位于動力艙頂部，如圖3所示。

圖3 動力艙空氣入口示意圖與命名

由于進(jìn)氣口的面積較大，使用手持設(shè)備單次測取的數(shù)值誤差較大;因此，采用分區(qū)測試中心點(diǎn)的方法測取數(shù)值，然后計(jì)算平均值，從而獲取進(jìn)氣速度。通過反復(fù)測試9點(diǎn)、16點(diǎn)和25點(diǎn)的數(shù)值差異，發(fā)現(xiàn)9點(diǎn)的誤差略高，而25點(diǎn)的測試工作量較大，導(dǎo)致測取時(shí)間過長，誤差反而有所增大。因此，本文選用16點(diǎn)的測試方式。16點(diǎn)測試具體實(shí)施方式如圖4所示。

2 試驗(yàn)結(jié)果

對7個(gè)動力艙空氣入口進(jìn)行流速測試，將結(jié)果按照流速分顏色表達(dá)，顏色標(biāo)尺見表1。

圖4 進(jìn)氣口A的16個(gè)測試點(diǎn)位置

表1 流速顏色標(biāo)尺

各進(jìn)氣口的流速分布云圖如圖5所示。由分布云圖可知:各進(jìn)氣口最大流速出現(xiàn)在進(jìn)氣口F處，約為 4．7 m·s－1;最小流速出現(xiàn)在 A 處，約為 2．2 m·s－1。其中，進(jìn)口A和進(jìn)口E的流速值較低，這是由于它們的位置離風(fēng)扇較遠(yuǎn)，空氣流動阻力更高;進(jìn)口B、D、F的平均流速較高，這同樣與進(jìn)口的位置相關(guān)。進(jìn)氣口A的右上部進(jìn)氣效果略好于左下部，這是由于發(fā)動機(jī)沉入動力艙中，其上部安裝了消聲器和空濾器，流動路徑中的阻礙件較少，流動效果較好;而進(jìn)氣口B中右側(cè)的流動效果好于左側(cè)，這同樣是受發(fā)動機(jī)安裝位置的影響。上部的3個(gè)進(jìn)口中，進(jìn)口C的效果最差，這是由于該進(jìn)氣口附近安裝了膨脹水箱，增大了進(jìn)氣阻力。

3 結(jié)果分析

結(jié)合試驗(yàn)結(jié)果計(jì)算平均流速，并換算流量，對各進(jìn)氣口流量所占比例分別進(jìn)行計(jì)算，結(jié)果如表2所示。由結(jié)果可知，進(jìn)氣口所占比例從大到小依次為:B、D、E、A、F、C、G。進(jìn)氣口 B 是主要進(jìn)口氣，與進(jìn)氣口G相比，兩者相差接近3.25倍。參考分析結(jié)果，以改善進(jìn)氣、增強(qiáng)冷卻性能為目標(biāo)，可以考慮對進(jìn)氣口G和C進(jìn)行改進(jìn)，合理規(guī)劃內(nèi)部結(jié)構(gòu)和部件布置。為進(jìn)一步建立冷卻性能預(yù)測模型，將各比例系數(shù)分別命名為 k1、k2、k3、k4、k5、k6、k7。

4 關(guān)于比例系數(shù)的冷卻性能預(yù)測模型

圖5 各進(jìn)氣口的流速分布云圖

表2 各空氣進(jìn)口的平均流速與比例系數(shù)

通過對多點(diǎn)測試結(jié)果的分析，可以明確該機(jī)型的主要進(jìn)氣口和改進(jìn)的方向;進(jìn)一步通過比例系數(shù)的代入，可以預(yù)估各進(jìn)氣口空氣流量對其性能的影響［10-11］。因此，在忽略艙外回流的前提下，本文以效能-傳熱單元數(shù)方法為基礎(chǔ)，建立帶有比例系數(shù)的性能預(yù)估模型。該過程主要是通過計(jì)算冷卻介質(zhì)空氣流量實(shí)現(xiàn)的，具體計(jì)算式如下。

冷空氣質(zhì)量流率

式中:i=1，2，…，7;wL、hL分別為散熱器的寬和高;vc為迎面風(fēng)速;ρc為空氣密度。

冷空氣質(zhì)量流速

式中:Amc為散熱器冷側(cè)最小流通面積。普朗克常數(shù)

式中:λc為導(dǎo)熱系數(shù);Cpc為冷空氣比定壓熱容;ηc為動力黏度。

換熱系數(shù)

式中:jc為Colburn因子。散熱器的總傳熱系數(shù)

式中:Ac、Ah分別為冷、熱側(cè)換熱面積;ηall-c、ηall-h為冷、熱側(cè)總換熱效率;Rw為隔板熱阻;hc、hh分別為冷、熱側(cè)換熱系數(shù)。

換熱量與出口溫度的計(jì)算具體如下［12-15］。

散熱器效能

其中，傳熱單元數(shù)

式中:mh為熱空氣質(zhì)量流率;Cph為熱空氣比定壓熱容。

總換熱量

式中:Tin-h為熱空氣進(jìn)口溫度;Tin-c為冷空氣進(jìn)口溫度。

冷熱流體出口溫度

冷熱流體側(cè)壓力損失

式中:m為冷熱流體質(zhì)量流率(即mc或mh);Kc、Ke分別為入口與出口壓力損失系數(shù);σ為孔隙率;hd為水力直徑;Lt為流動長度;f為Fanning因子。

5 結(jié)語

本文以國內(nèi)某型號250馬力推土機(jī)為依托，將其柴油機(jī)動力艙各進(jìn)氣口劃分為16個(gè)面積相等的截面，測取中心點(diǎn)流速，利用獲取的流速數(shù)值繪制速度云圖;計(jì)算各進(jìn)氣口處的空氣流量相對于總流量值的百分比，確定所占比例系數(shù)，明確各進(jìn)氣口處空氣流量所占比重;最后，將比例系數(shù)代入效能-傳熱單元數(shù)法中，建立關(guān)于比例系數(shù)的冷卻性能預(yù)估模型?；谝陨瞎ぷ?，得到結(jié)論如下。

(1)相對于9點(diǎn)、25點(diǎn)，16點(diǎn)的測試方式在工作量和測試誤差之間具有相對較好的平衡性，具備一定的應(yīng)用價(jià)值。

(2)動力艙進(jìn)氣口的空氣流量受艙內(nèi)發(fā)動機(jī)等部件影響較為明顯，動力艙進(jìn)氣口路徑上應(yīng)盡量避免設(shè)置部件，同時(shí)進(jìn)氣口應(yīng)盡量接近于散熱器和風(fēng)扇所組成的冷卻系統(tǒng);對于本文研究的機(jī)型而言，進(jìn)氣口B和E效果較好，受膨脹水箱影響的進(jìn)氣口G效果較差。

(3)通過將比例系數(shù)代入效能-傳熱單元數(shù)法，建立關(guān)于比例系數(shù)的冷卻性能預(yù)測模型，可有效實(shí)現(xiàn)對進(jìn)氣口改進(jìn)效果的評估。

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Application of Multi-point Test in Prediction of Cooling Performance of Engineering Vehicles

WANG Bao-zhong1，LIU Jia-xin1，2，XING Meng-long1，LONG Hai-yang1，JIANG Yan-kun2，GAO Ling-huan1
(1．School of Mechanical Engineering，North China University of Science and Technology，Tangshan 063009，Hebei，China;2．School of Energy and Power Engineering，Huazhong University of Science and Technology，Wuhan 430074，Hubei，China)

In order to evaluate the effect of air flow from the inlet on the cooling performance of the engineering vehicles，16 test points were chosen and divided to measure the air flow rate in a domestic 250 hp bulldozer，the prediction model for the cooling performance of engineering vehicle was established based on the proportional coefficient of the air inlet．The results show that the intake state of the power tank can be quickly obtained within a certain error;it is confirmed that the air inlet B and D have a better air flow than air inlet C and G，which show relatively poor results;based on the-NTU method and the proportional coefficient，a prediction model that would improve the effectiveness of the assessment was developed to evaluate the cooling performance．

multi-point test;engineering vehicle;cooling performance;prediction model

U415．51

B

1000-033X(2017)09-0111-05

0 引 言

隨著國家經(jīng)濟(jì)建設(shè)的逐步展開，以柴油機(jī)為動力源的工程車輛在建設(shè)中發(fā)揮著越來越重要的作用。作為柴油機(jī)的冷卻系統(tǒng)，其主要作用是保持活塞缸的工作溫度在合理范圍之內(nèi)，并將系統(tǒng)多余的熱量排到周圍環(huán)境之中。

空氣的進(jìn)氣狀態(tài)對冷卻系統(tǒng)性能影響較大，在產(chǎn)品的實(shí)際設(shè)計(jì)中，想要從進(jìn)氣上提升產(chǎn)品的冷卻性能，則必須確定動力艙各進(jìn)氣口處的空氣狀態(tài)及其發(fā)揮的作用。目前，對于這方面的研究主要有數(shù)值分析和試驗(yàn)2種方式。隨著CFD(Computational Fluid Dynamics)軟件逐步得到應(yīng)用，數(shù)值分析更多地被應(yīng)用于動力艙內(nèi)的冷卻系統(tǒng)性能研究中。在國內(nèi)，浙江大學(xué)的余小莉教授［1］、吉林大學(xué)秦四成教授［2］、裝甲兵工程學(xué)院畢小平教授［3］以及中科院工程熱物理研究所、西安交通大學(xué)和華中科技大學(xué)等人員和機(jī)構(gòu)均通過不同方式對動力航冷卻系統(tǒng)性能進(jìn)行過研究;國外的學(xué)者也展開了相關(guān)研究，Timothy將一維數(shù)值計(jì)算和三維仿真相結(jié)合，提出對冷卻性能的預(yù)估方法［4］;Mao則應(yīng)用三維模擬對非公路重載車輛的動力艙內(nèi)流場和散熱器工作性能進(jìn)行了分析［5-6］。

2017-03-17

2016年湖北省技術(shù)創(chuàng)新專項(xiàng)(重大項(xiàng)目)(2016AAA045);唐山市重點(diǎn)電動車實(shí)驗(yàn)室建設(shè)項(xiàng)目(12130201A-2)

王寶中(1966-)，男，河北唐山人，副教授，碩士，研究方向?yàn)闄C(jī)械學(xué)。

［責(zé)任編輯:高 甜］