0 引言

商用車在人們交通運(yùn)輸中被廣泛運(yùn)用，隨著人們認(rèn)知水平的提升和對(duì)高品質(zhì)產(chǎn)品的需求，司機(jī)對(duì)車輛的可靠性、經(jīng)濟(jì)性、動(dòng)力性等方面都有很高的要求

。重型商用車的熱管理既要考慮對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)可靠性、經(jīng)濟(jì)性等因素的影響，還要兼顧進(jìn)氣格柵、機(jī)艙零部件的設(shè)計(jì)布置等

。目前，重卡柴油機(jī)主要還是以對(duì)流換熱作為主要的冷卻方法，可以通過(guò)改變散熱器、中冷器、風(fēng)扇的形狀、尺寸等方法有效改善車輛的冷卻能力，從而滿足熱平衡的要求

。冷卻模塊的選型及布置直接關(guān)系到整車的散熱能力，并且影響發(fā)動(dòng)機(jī)的可靠性，所以選擇合適的冷卻模塊至關(guān)重要。

熱平衡分析主要針對(duì)散熱器、中冷器、風(fēng)扇這三個(gè)部件以及柴油機(jī)機(jī)艙布置，散熱器的極限使用環(huán)境溫度和中冷器的進(jìn)氣溫升直接影響車輛在高溫環(huán)境下的性能。重卡柴油機(jī)運(yùn)行工況復(fù)雜多變，冷卻系統(tǒng)的匹配至關(guān)重要，既要保證車輛能夠正常行駛，也要保證良好的經(jīng)濟(jì)性、動(dòng)力性、可靠性

。目前，整車熱管理的方案主要包括對(duì)中冷散熱、風(fēng)扇、進(jìn)風(fēng)格柵、機(jī)艙布置等的優(yōu)化匹配。對(duì)優(yōu)化方案的分析驗(yàn)證，可以通過(guò)傳統(tǒng)的試驗(yàn)方法，也可以通過(guò)仿真研究的方法

。隨著仿真技術(shù)的不斷成熟，該方法既能得到有效可靠的結(jié)果，還能節(jié)約時(shí)間和成本

。

為了使仿真計(jì)算準(zhǔn)確高效，本文將三維流體力學(xué)計(jì)算分析軟件(CFD)STAR-CCM+與一維軟件KULI相結(jié)合，對(duì)某重型柴油機(jī)商用車進(jìn)行熱平衡仿真分析

。首先，在STAR-CCM+搭建整車三維模型進(jìn)行流動(dòng)計(jì)算，分析其壓力場(chǎng)、速度場(chǎng)，并提取冷卻模塊表面速度分布及壓力系數(shù)。然后，將以上結(jié)果做為KULI 軟件的輸入，結(jié)合柴油機(jī)的各參數(shù)以及各個(gè)換熱模塊的性能參數(shù)進(jìn)行熱平衡計(jì)算。比較試驗(yàn)結(jié)果與計(jì)算結(jié)果

，證明以上方法準(zhǔn)確高效，此外提出散熱中冷的改進(jìn)方案，提升整車熱平衡能力。

交際情境的創(chuàng)設(shè)是交際的首要條件。蘇霍姆林斯基說(shuō)：“兒童是用表象、色彩、聲音來(lái)思維的?！睂?duì)充滿樂(lè)趣的事物或情節(jié)，孩子們往往有很大的興趣，并樂(lè)于參與。因此，我們可以創(chuàng)設(shè)合理、有趣的情境，對(duì)學(xué)生進(jìn)行口語(yǔ)交際的訓(xùn)練。

1 STAR-CCM+三維計(jì)算

1.1 三維模型

某柴油機(jī)商用車整體選用的是全尺寸模型，由于整車及發(fā)動(dòng)機(jī)的零部件數(shù)量較多且布置緊湊，故在不影響模型計(jì)算精度的前提下，對(duì)計(jì)算模型進(jìn)行了部分零部件的刪除簡(jiǎn)化，以便縮短計(jì)算收斂時(shí)間。最終將三維模型布置在STAR-CCM+計(jì)算流場(chǎng)中，如圖1所示，整車模型中，長(zhǎng)L寬W高H，其中流場(chǎng)區(qū)域總長(zhǎng)度為11L，總寬度為8W，總高度為6H，其中車前約為4L，車后約為7L。冷卻系統(tǒng)的選型布置需要考慮整車的空間及發(fā)動(dòng)機(jī)的性能，如圖2為該柴油機(jī)商用車中冷器、散熱器、風(fēng)扇三維布置圖，其中中冷器迎風(fēng)面積與散熱器迎風(fēng)面積比例如圖所示，風(fēng)扇直徑790mm。

1.2 網(wǎng)格劃分

將上述仿真結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，分析散熱器中冷器的冷卻效果，對(duì)比結(jié)果見(jiàn)表4和表5，兩結(jié)果相差不大，進(jìn)氣溫升和極限使用環(huán)境溫度的差值均在1℃以內(nèi)，說(shuō)明該仿真計(jì)算方法誤差較小，可用于后續(xù)開(kāi)發(fā)過(guò)程中冷卻系統(tǒng)的優(yōu)化匹配。

1.3 邊界設(shè)置

如圖4是柴油機(jī)商用車在流場(chǎng)中橫截面的速度分布，該速度分布云圖選取的是風(fēng)扇轉(zhuǎn)速1624 r/min(1.16倍發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速)。圖中可看出，在風(fēng)扇作用下，空氣依次流經(jīng)車頭格柵、中冷器、散熱器，為了提高冷卻系統(tǒng)的冷卻效率，在整車布置時(shí)應(yīng)當(dāng)盡量避免熱風(fēng)回流。

由于整車結(jié)構(gòu)、進(jìn)氣格柵形狀、發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)艙空間大小、換熱模塊整體尺寸及管路布置方式等的影響，換熱模塊表面速度分布通常都存在差異，為了使計(jì)算結(jié)果更接近真實(shí)情況，我們通常將換熱模塊模型分成多個(gè)區(qū)域，運(yùn)用三維計(jì)算軟件STAR-CCM+得到速度分布，然后在KULI中添加并編輯阻力矩陣。根據(jù)該整車匹配的散熱器性能、中冷器性能參數(shù)，風(fēng)扇性能參數(shù)，在KULI軟件中建立散熱器、中冷器、風(fēng)扇模型，圖6為散熱器性能MAP，圖7為中冷器性能MAP。

Δ

=

+

式中：

即換熱器冷側(cè)壓力梯度，Pa；

即粘性項(xiàng)阻力系數(shù)；

即慣性項(xiàng)阻力系數(shù)；

為冷測(cè)空氣流速。

用以上方法即可建立兩換熱器多孔介質(zhì)模型，通過(guò)交界面連接該模型與外部模型，相關(guān)數(shù)據(jù)見(jiàn)表1。

美國(guó)哈佛大學(xué)教授、發(fā)展心理學(xué)家加德納認(rèn)為：“智力的結(jié)構(gòu)是多元的，包括語(yǔ)言智能、邏輯數(shù)學(xué)智能、空間智能、身體運(yùn)動(dòng)智能、音樂(lè)智能、人際交往智能、自然智能等。”和普通中學(xué)相比，職業(yè)中學(xué)學(xué)生的智能往往帶有較強(qiáng)的專業(yè)色彩，如旅游專業(yè)的學(xué)生往往具有較強(qiáng)的視覺(jué)空間能力，對(duì)風(fēng)俗民情、歷史文化、名勝古跡、風(fēng)光景物很感興趣；計(jì)算機(jī)專業(yè)的學(xué)生邏輯數(shù)學(xué)智能、空間智能強(qiáng)，對(duì)編程、歸類感興趣；電工電子專業(yè)的學(xué)生身體運(yùn)動(dòng)智能強(qiáng)，善于動(dòng)手實(shí)踐、革新創(chuàng)造……職中學(xué)生的學(xué)習(xí)風(fēng)格是多樣而復(fù)雜的，這為實(shí)施個(gè)性化教學(xué)提供了條件。

1.4 計(jì)算分析

整個(gè)流場(chǎng)的進(jìn)出口分別設(shè)置為速度進(jìn)口和壓力出口，進(jìn)口速度設(shè)置為20km/h，流場(chǎng)的其他外表面設(shè)為壁面。為了有效地模擬的風(fēng)扇的旋轉(zhuǎn)狀態(tài)，采用MRF(多參考坐標(biāo))的方法，在風(fēng)扇表面設(shè)置邊界，區(qū)分風(fēng)扇運(yùn)動(dòng)區(qū)域，該區(qū)域采用旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系，模擬風(fēng)扇旋轉(zhuǎn)，計(jì)算結(jié)果更真實(shí)有效。在模型中，從車頭方向向后依次是中冷器、散熱器、風(fēng)扇，風(fēng)扇吸風(fēng)增大進(jìn)氣量，提高散熱能力。風(fēng)扇速比采用1.16，發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速分別為900r/min、1100 r/min 、1400 r/min 、1900 r/min。

2 KULI一維計(jì)算

2.1 一維模型

以上三維軟件STAR-CCM+與一維軟件KULI相結(jié)合計(jì)算并研究重型車的熱平衡，分析其計(jì)算結(jié)果，并將其與試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比，驗(yàn)證仿真結(jié)果的準(zhǔn)確性。根據(jù)整車中冷器、散熱器、風(fēng)扇、柴油機(jī)的布置結(jié)構(gòu)，建立一維仿真模型，其中換熱器的性能參數(shù)及物理尺寸根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)得來(lái)，并用于模型搭建，具體如圖5所示，圖中，從左到右依次是cp壓力系數(shù)、中冷器、散熱器、阻力矩陣、風(fēng)扇。

在中國(guó)石油集團(tuán)公司物資裝備部和專業(yè)分公司的大力支持下，渤海裝備按照物資采購(gòu)建立區(qū)域集中儲(chǔ)備中心的工作要求，在國(guó)內(nèi)最大煙氣輪機(jī)制造企業(yè)蘭州石油化工機(jī)械廠建立了中石油煙氣輪機(jī)集中備件儲(chǔ)備庫(kù)，集中儲(chǔ)備了中石油集團(tuán)所屬各大煉廠的煙氣輪機(jī)輪盤、動(dòng)葉片、主軸等十大類近700件/套的關(guān)鍵備件。

為了更好的模擬空氣流經(jīng)中冷器和散熱器，故單獨(dú)再將兩者芯部模型設(shè)置成多孔介質(zhì)，根據(jù)散熱中冷的試驗(yàn)性能參數(shù)求出多孔介質(zhì)的壓降，與表觀速度聯(lián)合求出多孔介質(zhì)的粘性、慣性阻力系數(shù)，通過(guò)這些參數(shù)來(lái)體現(xiàn)模型的流動(dòng)特征。計(jì)算公式如下：

經(jīng)過(guò)以上建模、計(jì)算，整車的熱平衡仿真結(jié)果見(jiàn)表2。

2.2 計(jì)算結(jié)果

周小羽也不躲，也不閃，任憑棍子砸下來(lái)，這樣一來(lái)李老師看不下去了，迅速地伸手?jǐn)r了一下，結(jié)果李老師的手上挨了重重的一棍子。痛得李老師大叫了一聲哎喲，李老師驚呆了，說(shuō)，小羽媽媽，你不能這么下重手啊，孩子重在教育，不是打罵呀。

為了驗(yàn)證車輛在嚴(yán)苛條件下的散熱能力，熱平衡試驗(yàn)需要控制迎面風(fēng)速小于20 km/h，并且環(huán)境溫度要求高于30℃。試驗(yàn)時(shí)，一般測(cè)量柴油機(jī)額定工況及大扭矩工況，要求風(fēng)扇全速運(yùn)轉(zhuǎn)，且在一定時(shí)間內(nèi)水溫變化值小于1℃，此時(shí)記錄數(shù)據(jù)。本文研究的重型商用車熱平衡試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表3。

在STAR-CCM+中生成的面網(wǎng)格并修復(fù)不合格的表面，然后劃分計(jì)算區(qū)域，并設(shè)置棱柱層，棱柱層厚度和尺寸可根據(jù)需要單獨(dú)對(duì)零部件進(jìn)行設(shè)置，采用切割體網(wǎng)格單元生成器生成體網(wǎng)格，最終生成的網(wǎng)格總數(shù)約為2804萬(wàn)。采用K-Epsilon湍流模型，對(duì)于整車附近區(qū)域進(jìn)行了加密處理，同時(shí)對(duì)于散熱器、中冷器、風(fēng)扇、進(jìn)氣格柵等敏感部件也進(jìn)行了局部加密。其中，整車附近區(qū)域加密網(wǎng)格尺寸為200mm，發(fā)動(dòng)機(jī)、風(fēng)扇、中冷器、散熱器、進(jìn)氣格柵的網(wǎng)格尺寸為3-7mm，整車網(wǎng)格尺寸12.5mm。整個(gè)流場(chǎng)區(qū)域的橫截面網(wǎng)格分布如圖3所示，其中右邊是散熱器和中冷器的局部截面網(wǎng)格。

3 優(yōu)化分析

上述結(jié)果顯示，發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速1100-1900 r/min時(shí)，進(jìn)氣溫升均在30℃以上，說(shuō)明中冷器的冷卻效果并不好。增壓后的空氣中氧氣的密度也會(huì)降低，進(jìn)而降低柴油機(jī)的有效充氣效率，直接進(jìn)入燃燒室還會(huì)引起缸內(nèi)燃燒溫度過(guò)高，影響排放以及帶來(lái)其他故障，故中冷器的作用十分重要，應(yīng)當(dāng)優(yōu)化其冷卻效果，滿足設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)的要求。針對(duì)上述結(jié)果，更換迎風(fēng)面積更大的中冷器，計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表6。

由上文可知，優(yōu)化中冷器迎風(fēng)面積大于原中冷器迎風(fēng)面積，增大了約0.09 m

。如下計(jì)算數(shù)據(jù)分析，增大中冷器尺寸能夠起到改善中冷器冷卻能力的效果，各轉(zhuǎn)速工況下的進(jìn)氣溫升均降低約5℃，如需進(jìn)一步提高中冷器冷卻能力，可進(jìn)行更大中冷器或改善中冷器結(jié)構(gòu)的研究分析，同時(shí)需考慮機(jī)艙布置等其他因素。

我記得，去年一月，您成為我的新主人。您害怕我著涼，把我裹到衣服里，柔軟的衣服散發(fā)出洗衣液淡淡的香味；我記得，除夕夜，我很久不能靜下來(lái)，那是我第一次聽(tīng)鞭炮的聲音。您看我受驚了，不斷安撫我“只是放鞭炮，不怕”。

4 結(jié)論

(1)經(jīng)過(guò)上述論證分析，對(duì)于柴油機(jī)商用車的熱管理研究，可以采用三維一維相結(jié)合的仿真計(jì)算方法。以上方法能夠?qū)鋮s系統(tǒng)的優(yōu)化匹配方案進(jìn)行有效的分析，計(jì)算結(jié)果精度高，節(jié)約成本，能夠提高正向開(kāi)發(fā)的效率。

由上圖可以看出，當(dāng)TPGDA加入量低于19%時(shí)，隨著TPGDA加入量的增加，固化膜拉伸強(qiáng)度增大；在TPGDA加入量在19%左右時(shí)，拉伸強(qiáng)度和斷裂伸長(zhǎng)率分別達(dá)到最大值；而當(dāng)TPGDA加入量大于19%時(shí)，固化膜的拉伸強(qiáng)度不斷下降。這是因?yàn)殡S著TPGDA的含量的不斷增加，分子鏈間摩擦阻力減弱，固化膜的柔韌性隨之增大，因此剛開(kāi)始固化膜的拉伸強(qiáng)度和斷裂伸長(zhǎng)率都不斷增大。而由于TPGDA具有對(duì)體系具有稀釋作用，隨其加入量的不斷增多，分子間的相互作用力減弱，體系內(nèi)聚能減小，因此固化膜拉伸強(qiáng)度有所下降。

(2)增大中冷器迎風(fēng)面積能夠有效改善中冷器的冷卻能力，根據(jù)整車具體使用環(huán)境，如需進(jìn)一步提高中冷器冷卻能力，可進(jìn)行更大中冷器或改善中冷器結(jié)構(gòu)的研究分析。

(3)可以采用以上模型進(jìn)行該柴油機(jī)商用車?yán)鋮s系統(tǒng)的優(yōu)化匹配，對(duì)優(yōu)化方案進(jìn)一步地分析、比較，不僅要滿足設(shè)計(jì)要求，也要充分考慮經(jīng)濟(jì)性、動(dòng)力性等因素。

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