薛建奇，劉佳鑫,2，王寶中

(1.華北理工大學 機械工程學院，河北 唐山 063210；2.華中科技大學 能源與動力學院，湖北 武漢 430074)

0 引言

動力艙作為工程車輛的核心部分，對整車的工作性能、節(jié)能減排和工作壽命都起著決定性的作用。由于動力艙內(nèi)結構復雜、發(fā)熱部件多，因此在工程車輛的研究過程中對動力艙的研究更顯得重要。合理地布置動力艙內(nèi)各部件的位置、改變動力艙進出口的位置及大小都能改變動力艙內(nèi)的熱量分布，傳統(tǒng)的方法是通過試驗測量動力艙內(nèi)各發(fā)熱部件及其他各點的溫度，但是存在試驗復雜、前期準備多、試驗經(jīng)費高和后期整理數(shù)據(jù)量大等問題。近年來由于CFD數(shù)值仿真的廣泛應用，更多的研究人員應用數(shù)值仿真的方法對工程車輛的動力艙進行研究。閆鵬舉[1]研究了基于CFD仿真的大馬力平地機散熱性能，對風扇和散熱器組成的散熱模塊進行調(diào)整改進，解決了平地機系統(tǒng)過熱的問題。大連理工大學白文龍[2]對工程機械動力艙內(nèi)部熱環(huán)境仿真進行了研究，得出了動力艙進氣口尺寸的改變對動力艙內(nèi)部溫度場影響不大。許自順、于華、閆云喬[3]等對基于CFD的裝載機散熱器流動特性進行了研究，通過對風扇和導風罩之間的配合進行調(diào)整，使散熱器能發(fā)揮最佳的性能。李海軍、畢小平[4]基于熵值法對坦克動力艙熱工況進行綜合評價的研究，運用熵值法原理科學地確定各評價指標，對某型坦克動力艙的不同布置方案進行了熱工況綜合評價。

本文通過建立工程車輛動力艙的模型對其進行數(shù)值仿真，同時對動力艙內(nèi)建立熵產(chǎn)評價體系，結合CFD數(shù)值仿真的方法計算動力艙內(nèi)的熵產(chǎn)，為今后動力艙內(nèi)溫度場的優(yōu)化提供一種新的評價模型。

1 動力艙幾何模型

根據(jù)工程車輛動力艙真實尺寸建立三維模型，由于其內(nèi)部較復雜對其進行適當?shù)暮喕?，忽略螺栓和散熱器熱流體管道等不重要的部件[5-8]，最后建立的動力艙幾何模型如圖1所示。

1-空氣濾清器;2-發(fā)動機;3-中冷器;4-變矩油散熱器;5-液壓油散熱器;6-冷卻液散熱器;7-動力艙出口;8-風扇;9-導風罩;10-水箱;11，12，13，14-動力艙進口;15-消聲器

2 CFD數(shù)值仿真

2.1 網(wǎng)格劃分及邊界條件設定

對樣車幾何模型進行網(wǎng)格劃分，應用六面體網(wǎng)格劃分規(guī)則散熱器，利用四面體網(wǎng)格劃分風扇、動力艙內(nèi)及風洞內(nèi)的網(wǎng)格，檢驗網(wǎng)格扭曲度滿足要求，最終得到7 654 243個網(wǎng)格。環(huán)境溫度為45 ℃，設置風洞入口為速度入口，出口為壓力出口，與空氣接觸的壁面設置為wall，散熱器設置為多孔介質(zhì)，導風罩、散熱器、動力艙和風洞設置為流體區(qū)域，輪胎、駕駛室和配重鐵等非流體區(qū)域設置為固體區(qū)域。風扇設置為MRF模型，轉(zhuǎn)速為1 500 r/min,散熱器邊界條件設置如表1所示。

2.2 仿真結果

利用CFD數(shù)值仿真對動力艙的溫度進行分析，從仿真結果中可以看出，動力艙進口溫度基本等于環(huán)境溫度45 ℃，空氣經(jīng)過動力艙被動力艙內(nèi)發(fā)熱部件加熱后，空氣在動力艙出口處平均溫度為72.5 ℃，具體溫度分布云圖如圖2所示，動力艙壓強分布云圖如圖3所示。

表1 散熱器邊界條件

由CFD數(shù)值仿真結果可以看出：動力艙進氣口位置壓強基本相同，通過在仿真軟件中提取進氣口處壓強值為-5 Pa,出口處壓強平均值為-72.3 Pa。

圖2 動力艙溫度分布云圖 圖3 動力艙壓強分布云圖

通過數(shù)值仿真提取動力艙進出口流量，動力艙出口流量為8.402 1 kg/s,由于CFD數(shù)值仿真遵循質(zhì)量守恒定律，進氣口流量和排氣口流量相同，因此冷空氣進入動力艙的流量為8.402 1 kg/s。

3 動力艙內(nèi)的熵產(chǎn)

3.1 熵產(chǎn)模型

熵方程為熱力學第二定律的表達式，能量在傳遞過程中需要加上一些限制，熵就是用來限制這些過程的。熵方程可以用來檢驗過程中熵的變化，可以計算過程中的功損耗。

克勞修斯積分式：

(1)

其中：Q為換熱量；T為外界溫度；等號對應可逆循環(huán)，不等號對應不可逆循環(huán)。

可逆循環(huán)的克勞修斯積分式：

(2)

根據(jù)狀態(tài)參數(shù)的特性，被積函數(shù)為δQ/T。1865年克勞修斯將這個新的狀態(tài)參數(shù)定義為熵，用符號S表示，即：

(3)

對于可逆過程，熱力學第一定律的表達式可寫為：

δQ=du+pdV=dh-Vdp.

(4)

其中：u為熱力學能；p為壓強；V為體積；h為焓。

焓是熱力學中表征物質(zhì)系統(tǒng)能量的一個重要狀態(tài)參數(shù)：

dh=CpdT.

(5)

其中：Cp為定壓比熱容。由式(3)～式(5)可得：

(6)

對于理想氣體：

(7)

S=CplnT-Rglnp.

(8)

熵產(chǎn)模型公式：

(9)

其中：S為動力艙內(nèi)熵產(chǎn)；m為理想氣體質(zhì)量流量；Ti、To分別為進、出口溫度；Rg為氣體常數(shù)；pi、po分別為進、出口壓強。

3.2 動力艙內(nèi)熵產(chǎn)

通過CFD數(shù)值仿真的方法，對工程車輛進行了仿真，并提取了動力艙進出口的溫度與壓強數(shù)值?？諝饬鬟^動力艙的過程由兩部分熵產(chǎn)組成，分別是溫差熵產(chǎn)和摩擦熵產(chǎn)。動力艙內(nèi)熵產(chǎn)如下式：

(10)

其中：mc為冷空氣質(zhì)量流量；Cp為空氣定壓比熱容，為1 004 J/(kg·K)；Rg為氣體常數(shù)，為0.287 kg/(kg·K)。式(10)中前半部分為溫差熵產(chǎn)，后半部分為摩擦熵產(chǎn)。

根據(jù)CFD數(shù)值仿真可知進出口溫度分別為45 ℃、72.5 ℃，進出口壓強分別為-5 Pa、-72.3 Pa。將其代入式(10)中，可得空氣經(jīng)過動力艙的熵產(chǎn)為4 017.39 J/K。其中，溫差熵產(chǎn)為4 023.83 J/K，摩擦熵產(chǎn)為6.44 J/K?？梢钥闯鰷夭铎禺a(chǎn)遠大于摩擦熵產(chǎn)。

4 結論

本文通過數(shù)值仿真與熵產(chǎn)模型結合的方式計算了動力艙內(nèi)的熵產(chǎn)，經(jīng)計算發(fā)現(xiàn)動力艙內(nèi)溫差熵產(chǎn)遠大于摩擦產(chǎn)生的熵產(chǎn)，在今后動力艙優(yōu)化的過程中應該更多地考慮溫度對動力艙內(nèi)的影響。本文通過對動力艙內(nèi)熵產(chǎn)進行計算，為利用熵產(chǎn)評價空氣流經(jīng)動力艙過程的能量損耗提供了一種方便可行的方法，對工程車輛動力艙的研究具有一定的參考價值。

參考文獻：

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