姬朋輝

摘要：在柴油發(fā)電機(jī)組開發(fā)設(shè)計(jì)中，應(yīng)用STAR-CCM+商用流體力學(xué)軟件分析了某型號(hào)發(fā)電機(jī)組風(fēng)扇安裝位置對(duì)散熱器進(jìn)風(fēng)量與進(jìn)風(fēng)速度的影響，研究得出：風(fēng)扇距散熱器的距離對(duì)散熱器散熱能力影響顯著，在一定范圍內(nèi)隨著風(fēng)扇與散熱器距離增大，經(jīng)過散熱器的風(fēng)量增加;風(fēng)扇與發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)體間的距離對(duì)風(fēng)量的影響較小。

關(guān)鍵詞：發(fā)電機(jī)組;STAR-CCM+;風(fēng)扇位置;散熱性能

中圖分類號(hào)：U464.138+.4? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號(hào)：1674-957X（2020）22-0021-02

0? 引言

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展，工業(yè)用電量急劇攀升，柴油發(fā)電機(jī)組這一結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、使用方便的電力供應(yīng)產(chǎn)品成為了常用或應(yīng)急電源的理想選擇。在郵電、機(jī)場(chǎng)、醫(yī)院、銀行等場(chǎng)所發(fā)揮著不可替代的作用。柴油發(fā)電機(jī)由于結(jié)構(gòu)緊湊，運(yùn)行負(fù)荷率高，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)穩(wěn)定性要求高，因此發(fā)電機(jī)組的熱管理就尤為重要。本文使用商用CFD軟件STAR-CCM+對(duì)不同的風(fēng)扇安裝位置進(jìn)行了模擬，分析散熱器在不同條件下的進(jìn)風(fēng)量及速度分布，以期確定最優(yōu)的風(fēng)扇安裝位置。

影響冷卻系統(tǒng)散熱性能的風(fēng)扇安裝參數(shù)分為四類分別為：風(fēng)扇與發(fā)動(dòng)機(jī)體的距離;風(fēng)扇與散熱器距離;風(fēng)扇伸入護(hù)風(fēng)罩距離;風(fēng)扇與護(hù)封罩徑向間隙。一般風(fēng)扇廠家根據(jù)護(hù)風(fēng)罩的類型對(duì)風(fēng)扇伸入護(hù)風(fēng)罩距離有個(gè)最佳的推薦值，為保證風(fēng)扇運(yùn)行后與護(hù)封圈不出現(xiàn)干涉，在風(fēng)扇裝配中與護(hù)風(fēng)圈的徑向間隙基本也已確定。鑒于此，本文重點(diǎn)研究了風(fēng)扇與發(fā)動(dòng)機(jī)體的距離和風(fēng)扇與散熱器距離兩個(gè)變量對(duì)散熱性能的影響。

1? 數(shù)值計(jì)算方案

1.1 數(shù)值計(jì)算方程

發(fā)電機(jī)組周圍流場(chǎng)空氣流動(dòng)速度較小，密度幾無變化，因此可作為三維不可壓縮流場(chǎng)進(jìn)行求解。對(duì)不可壓縮牛頓粘性流動(dòng)滿足連續(xù)性方程和動(dòng)量守恒方程：

本次計(jì)算湍流模型選擇標(biāo)準(zhǔn)k-ε湍流模型，采用一階迎風(fēng)格式進(jìn)行空間離散，采用SIMPLE壓力修正算法進(jìn)行耦合迭代。

1.2 計(jì)算域的設(shè)置

如圖1示，該柴油發(fā)電機(jī)組由發(fā)動(dòng)機(jī)、發(fā)電機(jī)、風(fēng)扇、散熱器，擋風(fēng)罩及連接管路等零部件構(gòu)成。該發(fā)電機(jī)組采用風(fēng)扇吹風(fēng)冷卻方式，即低溫空氣先冷卻發(fā)電機(jī)、發(fā)動(dòng)機(jī)后經(jīng)過風(fēng)扇、散熱器排出?？紤]到本型號(hào)發(fā)電機(jī)組工作場(chǎng)所大多數(shù)處于室內(nèi)，因此設(shè)置計(jì)算域總成為5倍機(jī)組長(zhǎng)度，寬度為1.5倍機(jī)組長(zhǎng)度。本機(jī)組風(fēng)扇直徑為450mm，額定轉(zhuǎn)速2115rpm。

本文網(wǎng)格采用STAR-CCM+獨(dú)有的切割體網(wǎng)格進(jìn)行劃分，在發(fā)動(dòng)機(jī)周圍及風(fēng)扇周圍進(jìn)行局部網(wǎng)格細(xì)化加密，以更好的捕捉空氣流場(chǎng)細(xì)節(jié)。風(fēng)扇旋轉(zhuǎn)域采用動(dòng)網(wǎng)格技術(shù)進(jìn)行模擬，風(fēng)扇旋轉(zhuǎn)域與周圍靜止流體域創(chuàng)建交界面以保證旋轉(zhuǎn)域與周圍靜止流體域的能量與質(zhì)量交換。散熱器芯體采用多空介質(zhì)模型，該模型可通過設(shè)置三個(gè)方向的慣性阻尼系數(shù)和粘性阻尼系數(shù)來實(shí)現(xiàn)通過多空介質(zhì)后流體的壓降及流動(dòng)特性[1]。

2? 風(fēng)扇距機(jī)體位置對(duì)機(jī)組散熱能力影響

2.1 研究方案

由于發(fā)動(dòng)機(jī)前端輪系與零部件眾多，為保證風(fēng)扇與發(fā)動(dòng)機(jī)間不存在干涉，風(fēng)扇與發(fā)動(dòng)機(jī)存在一個(gè)最小安裝間距。本文從最小安裝間距開始計(jì)算，限于風(fēng)扇軸強(qiáng)度與振動(dòng)原因，依次增加20mm、40mm、60mm，共計(jì)4個(gè)距離，在計(jì)算完成后取散熱器端面上的平均風(fēng)速與流量進(jìn)行比較分析。

2.2 計(jì)算結(jié)果

為排除網(wǎng)格等計(jì)算因素影響，4種計(jì)算方案網(wǎng)格尺寸、物理模型、邊界條件保持一致。計(jì)算結(jié)果顯示，在本文計(jì)算設(shè)置范圍內(nèi)，加大風(fēng)扇與機(jī)體距離，流經(jīng)散熱器風(fēng)速和流量有輕微增加，但幅度非常小?？梢哉J(rèn)為，風(fēng)扇與機(jī)體間距離，對(duì)機(jī)組散熱性能沒有影響。

圖2-圖5顯示了風(fēng)扇在不同位置處散熱器端面的速度云圖，同樣可以看出風(fēng)扇在不同位置時(shí)，速度云圖幾乎沒有發(fā)生變化，即流經(jīng)散熱器的風(fēng)量與風(fēng)速都沒有發(fā)生變化，因此機(jī)組的散熱性能也沒有明顯變化。

3? 風(fēng)扇距散熱器位置對(duì)機(jī)組散熱能力的影響

3.1 研究方案

風(fēng)扇距散熱器間的距離受限因素較少，實(shí)際安裝過程中改變風(fēng)扇與散熱器間的距離也比較容易操作，因此研究風(fēng)扇與散熱器間距離對(duì)機(jī)組散熱器能力的影響更具現(xiàn)實(shí)指導(dǎo)意義。本文從最小安裝間距開始計(jì)算，水箱依次后移50mm、100mm、200mm、300mm、400mm，共計(jì)6種計(jì)算方案。在完成計(jì)算后取散熱器端面上的平均風(fēng)速與流量進(jìn)行比較分析。

3.2 計(jì)算結(jié)果

為排除網(wǎng)格等計(jì)算因素影響，6種計(jì)算方案網(wǎng)格尺寸、物理模型、邊界條件保持一致。計(jì)算結(jié)果顯示隨著水箱的后移，風(fēng)扇端面的平均風(fēng)速、流量呈增大趨勢(shì)，且存在一個(gè)拐點(diǎn)，本機(jī)型的拐點(diǎn)為原水箱位置后移200mm左右。同時(shí)可以發(fā)現(xiàn)在后移50mm其散熱器表面平均風(fēng)速與流量增長(zhǎng)的幅度最大，后面增長(zhǎng)的幅度逐漸變小。（表2）

通過各位置處散熱器端面速度云圖可以更直觀顯示出不同位置散熱器的速度分布變化。散熱器處在原位置其端面在左上、右下及中間位置存在明顯的逆風(fēng)回流現(xiàn)象，且高速風(fēng)區(qū)分布集中;隨著散熱器與風(fēng)扇距離加大，逆風(fēng)回流區(qū)域逐漸減小當(dāng)散熱器后移200mm時(shí)左上、右下區(qū)域逆風(fēng)回流現(xiàn)象消失，高速風(fēng)區(qū)分布逐漸均勻。散熱器繼續(xù)后移300mm、400mm，高速風(fēng)區(qū)分布愈加均勻，中間位置回流區(qū)域也在減小，但隨著距離的增加，風(fēng)速出現(xiàn)下降，因此流經(jīng)散熱器的流量開始變小，散熱性能降低。（圖6-圖11）

4? 總結(jié)

本文通過CFD技術(shù)對(duì)發(fā)電機(jī)組風(fēng)扇安裝位置對(duì)散熱性能的影響進(jìn)行了研究，其中風(fēng)扇與機(jī)體位置設(shè)置4個(gè)方案，風(fēng)扇與散熱器位置設(shè)置6個(gè)方案，通過計(jì)算分析得出以下結(jié)論：①在風(fēng)扇與散熱器位置一定時(shí)，加大風(fēng)扇與機(jī)體間距離對(duì)散熱器表面的風(fēng)速和流量影響很小;②在風(fēng)扇與機(jī)體位置一定時(shí)，加大風(fēng)扇與散熱器間距離，流經(jīng)散熱器表面的風(fēng)速和流量都有比較明顯的增大，且增大趨勢(shì)存在一個(gè)拐點(diǎn)，即大于一定距離后風(fēng)速和流量開始出現(xiàn)下降;③對(duì)本文計(jì)算機(jī)型，建議維持風(fēng)扇與機(jī)體位置并適當(dāng)增加風(fēng)扇與散熱器間的距離。

參考文獻(xiàn)：

[1]常賀.某車輛熱管理系統(tǒng)開發(fā)研究[D].吉林大學(xué)，2014.