某型电源车车舱通风散热性能优化研究

苏红春++袁春++王莉++金钊

摘 要：建立某型电源车车舱三维CFD模型，选取Realizable k-ε湍流模型，对电源车车舱内空气流场和温度场进行仿真计算，分析车舱的通风散热情况，发现了柴油发电机组和消声器散热存在的问题，并通过在机组舱后壁设计一个轴流风机对散热结构进行了改进。针对改进后的模型进行通风散热仿真分析，发现柴油发电机组和消声器表面温度明显下降。对车舱内温度进行实测，将测试结果与仿真计算结果进行对比分析，结果表明，增加轴流风机后车舱内通风散热效果明显改善。

关键词：电源车；通风散热；流场；温度场

中图分类号：TJ819文献标文献标识码：A文献标DOI：10.3969/j.issn.2095-1469.2015.05.08

某型电源车是一种新型机动柴油发电装备，可为多种应急供电用户提供安静的电力保障，是反恐维稳和野外作业的主要电力保障手段，也是各种重大活动的备用电源[1-2]。在静音型电源车开发过程中，研究解决车舱的噪声控制与通风散热之间的矛盾是一项重要工作。传统的试验测试要在原型车制造出来后才能实施，这样开发周期长、成本高，所以在电源车车舱设计过程中，进行车舱的通风散热特性分析，找出通风散热中存在的问题及其原因，为车舱结构定型和舱内设备总布置提供依据，避免在开发的最后阶段进行过大的改动[3]。因此，对电源车车舱内空气流场进行数值模拟，进而对车舱内发电机组的散热效果进行分析是十分必要的。

国内外专家和学者已对舱式结构通风散热的相关课题做了一些研究。袁侠义等人[4]研究了汽车发动机舱内的流场和温度场分布，发现通过增加导流板可以提高通风散热效果。肖红林等人[5]针对不同布置方式下的动力电池组，通过研究流场和温度云图，比较分析了不同的散热特性。张坤等人[6]针对某型发动机舱怠速工况下温度过高的问题，对流场和温度场进行了仿真计算，提出添加阻风板的方式来改善空气流动，提高散热效果。宋思洪等人[7-9]研究了不同结构的军用通信电源机组舱内空气流场和温度场分布情况，分析了散热效果，对机组舱结构进行改进并提出了最佳方案。任承钦等人[10]对不同环境温度和车速条件下的机舱发动机部件表面对流换热系数、机舱空间流量系数进行了研究，发现适当增大发动机舱后壁通风栅格的面积或调整散热器的位置可以提高发动机舱通风散热效果。Jarrett 和Kim[11]提出了一种电动汽车电池组温度控制方法，通过设计有凹槽的冷却板，使热量从电池组舱通过冷却板传出。D. Ghosh[12]和Sungjin Park [13]利用计算流体动力学（Computational Fluid Dynamics，CFD）方法研究了混合动力电动汽车电池组的散热情况，发现通过改变气流流动可以改善通风散热效果。以上对于流场和散热的分析主要集中在汽车发动机舱、军用通信电源发电机组舱以及电动汽车电池组舱等方面，针对电源车车厢的通风散热所做的研究很少。本文主要以某型电源车车舱内空气流动和热环境为研究对象，综合考虑其进排气口、机组各部件发热对设备通风散热效果的影响。对车舱内机组舱和消声舱空气流动情况进行了仿真计算，对车舱内柴油发电机组和两级排气消声器的散热情况进行了分析，并对机组舱后壁通风结构进行了优化，最后对计算所得的结果进行了试验验证和对比分析。

2 计算结果及讨论

2.1 假设

为了便于计算和分析，在对电源车车舱内流场和温度场进行数值模拟时，作出以下假设：

（1）电源车车舱内柴油发电机组及其它设备均稳定运行，空气与各设备接触面上的换热转化为纯流体的传热与对流换热，忽略设备壁面上的辐射传热[17]。

（2）流场计算区域为电源车内部的流体区域，可假设为远离壁面的流体区域内空气的流场和温度场分布，所以不考虑设备壁面的厚度。

（3）车舱内空气密度恒定不变，不随温度变化，故计算区域内空气流动可认为是不可压缩稳态定常流动。

2.2 解析条件

车舱内柴油发电机组以用一备一的方式工作，因此只需仿真模拟一台机组工作时的情况，便可反映出整个车舱内的空气流场及温度场分布情况。仿真计算的解析条件见表1。电源车进风口采用质量入口边界条件，流量包括柴油机燃烧和柴油发电机组冷却所需的风量；壁面边界条件采用热流量和温度两种边界条件，柴油机、发电机和排气管采用热通量边界条件，消声器采用温度边界条件，柴油发电机组热流量采用多通道热流计测量得到，温度采用温度传感器测量；出口边界条件采用出流边界条件，出口分别为油机进气口和车厢后壁的出风口，根据实际的出口流量计算flow rate；轴流风机和风扇边界条件根据实际参数进行设置。

2.3 车舱内流场及温度场分布

仿真计算结果如图2～ 4所示。

图2为电源车内空气流场图，图3为空气流动轨迹图，图中不同颜色表示空气的不同流速。从流场分布图可以看出，车舱内空气在越靠近柴油发电机组散热器风扇的位置运动越剧烈，速度也越快。由于散热器风扇的作用，空气在处于工作状态的柴油发电机组周围分布较密，流速也较快，这将有利于提高发电机组以及散热器的散热效果。同时，可以观察到空气流经设备连接处以及尺寸较小的部件周围时速度较慢，并且在这些区域形成绕流。从空气流动轨迹图可以看出，机组舱内空气流动轨迹较有规律，当气流通过机组舱排气口进入消声舱后，由于消声舱内消声立柱以及第二级排气消声器的存在，气流不能直接通过消声舱后壁的两个排气口排出，而是在流动过程中产生了绕流，有利于对通过散热器排出的噪声进行有效控制，起到降噪的作用。

图4为车舱内柴油发电机组及两级消声器的温度场分布图。由温度场分布可以看出，由于发电机位于距离进风口比较近的位置，散热效果好，温度较低。相比之下，柴油机表面温度略高于发电机表面，温度在45 ℃～60 ℃之间，局部最高温度也低于65 ℃。第一级排气消声器表面大部分温度在50 ℃～75 ℃之间，背向空气流动的一侧温度较高，最高达到80 ℃以上；第二级排气消声器正对散热器排气口的一侧温度较低，背向排气口的一侧温度稍高，大部分表面的温度在75 ℃左右。其中，机组和排气管连接处、排气管和消声器连接处散热效果不好，温度较高，最高达90 ℃。

通过上述计算与分析发现，车舱内设备温度较高，没有达到电源车的设计要求，现有的通风结构不能完全满足柴油发电机组和两级消声器的散热要求，因此必须要对车舱的通风散热结构进行改进。

2.3 结构改进后车舱内流场及温度场分析

综合考虑原有的通风散热结构和机组舱内发电机组的布置位置，在机组舱后壁设计一台轴流风机进行排风，这样机组舱前部下侧为进风口，后部为散热器排风口和轴流风机排风口，工作时进、排风口可形成有效的空气对流，起到更好的通风散热效果。轴流风机技术参数见表2，机组舱后壁排风口布置示意图如图5所示。

对改进后的模型进行仿真计算，得到车舱内空气流动轨迹及增加轴流风机前后车舱内切面的速度矢量图，如图6和图7所示。

由图6可知，机组舱内的空气通过散热器排气口和轴流风机口进入消声舱内，在消声舱内绕消声立柱和消声器形成绕流，有利于舱内散热和降噪。同时轴流风机口排出的空气靠近消声器排气管，提高了消声器及其排气管的散热效果。

图7（a）和（b）分别为增加轴流分机前、后车舱内切面的速度矢量图。图7（a）中空气从进风口进入机组舱后，由于发电机的阻挡作用，一部分气流沿发电机表面向上流动，另一部分从发电机底部流动，流动过程中气流加速，最快达到10 m/s左右。空气流动对发电机组冷却后，当靠近散热器时，由于散热器风扇的抽吸作用，气流加速运动，流经散热器风扇进入消声舱，然而由于散热器风扇位置较低，不利于机组上部和第一级排气消声器的散热。图7（b）中由于增加轴流风机的原因，在散热器风扇和轴流风机的共同作用下，进入机组舱的空气可以到达车舱的中部和上部，空气流速在5～10 m/s之间，有利于机组和排气消声器的散热。

图8为柴油发电机组和机组消声器温度场分布图。与图4相比，图8中增加轴流风机后机组及两级消声器的温度均有下降，其中两级消声器的温度分布下降明显。从图8中看到，增加轴流风机后消声器温度明显低于无轴流风机时消声器温度，且排气管的温度有大幅下降，局部温度集中或过高的情况也得到了改善。仿真结果表明，增加轴流风机后通风散热结构能够使柴油发电机组及消声器处于适宜的工作温度。

3 试验验证

参照相关军用标准和环境试验方法，对电源车车内设备的散热情况进行测试，图9为现场测试图，布置9个测点，分别标号1～9。测点1位于车舱内两台机组中间，用来测试车舱内气流的温度；测点2布置于发电机上方，测发电机的温度；测点3、4、5测柴油机的温度，其中测点3布置于气缸盖，4和5分别布置于柴油机的前后壁面上；测点6、7分别测试第一级排气消声器背风侧和迎风侧的温度；测点8、9分别测第二级排气消声器迎风侧和背风侧的温度。电源车在额定功率状态下连续运行1 h后进行温度测量，测量值和计算值对比见表3和表4。

对比分析表3和表4中的数据可以看出：在机组舱后壁增加轴流风机后，车舱内不同测点的温度均有了一定程度的降低，特别是两级排气消声器的温度下降明显，不同位置的表面温度下降了约2～8 ℃。

为了进一步对计算值和测量值进行比较，利用下面的公式来计算仿真计算的精度。

。

根据式（6），分别用E1、E2表示增加轴流风机前、后的精度，计算得到E1=6.4%，E2=5.3%。对比结果表明：仿真计算精度较高，说明在仿真计算中采用的数学模型、结构简化方法以及网格划分方法都是可行的。电源车通风散热结构基本能够满足柴油发电机组和消声器的散热要求，然而由于设备的具体结构以及各个壁面上传递的热量很难准确地运用在计算中，不可避免地导致了误差的产生。

4 结论

本文针对电源车车舱存在的通风散热问题，对电源车车舱内空气流场及温度场进行数值仿真与分析，提出通风散热结构改进方法，改善了通风散热效果，最后进行了试验验证并与仿真计算结果进行对比分析，得到如下结论：

（1）利用CFD软件成功完成了电源车车舱散热的模拟。得到车舱内的流场和温度场，能量化地判断出车舱内最高温度的位置，为电源车车舱结构的设计和车内设备的布置提供有用的参考。

（2）车舱内流场反映了空气在车舱内的分布及流动情况，温度场反映车舱内设备的散热情况。结合空气流场和温度场可以发现电源车散热存在的问题，进而通过在机组舱后壁设计一台轴流风机对通风散热结构进行改进，以改善通风散热的效果。

（3）在机组舱后壁开设轴流风机后，车舱内柴油发电机组和两级排气消声器的散热效果有了明显改善，不同位置的表面温度下降了约2～8 ℃，特别是第二级排气消声器表面温度有了较大幅度的下降。

（4）仿真计算结果与试验得到的结果较吻合，说明选用的Realizable k-ε湍流模型可以较准确地模拟电源车车舱内的空气流场，同时也说明计算中采用的模型简化方法及解析条件的设置是合理的。

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