装甲车辆发动机冷却系统空气流动的仿真模型

文章编号!"###$#%#%&’##’(#)$#*+*$#) ,---./ 装甲车辆发动机冷却系统空气流动的仿真模型0 毕小平1马志雄1韩 树1尹胜波1段初华 &装甲兵工程学院 机械系1北京 "###+’( 摘要!基于一维动态可压缩气体流动方程建立了装甲车辆发动机冷却系统空气流动的仿真模型1考虑了 车辆动力舱内流道几何尺寸2壁面摩擦2散热器传热2风扇做功以及分支流动对冷却气流的影响3对一台 履带式装甲车辆发动机冷却系统的空气流动进行了实例仿真计算1为研究装甲车辆发动机冷却系统空 气流动的性能提供了一种理论分析手段3 关键词!装甲车辆发动机4冷却系统4空气流动4仿真模型 中图分类号!56)")7’ 文献标识码!8 引言 车辆发动机冷却系统的良好性能是保证车辆正 常工作的基本条件3车辆的动力传动装置传给冷却系 统的热量必须通过冷却空气的流动带到环境气体中 去1因此空气流动是决定车辆冷却系统热状况的重要 因素3当前完全用试验的研究车辆动力舱内的气 体流动是相当困难的3 车辆发动机冷却气流的三维计算流体动力学模 型已经被发展了1这种模型适用于对冷却系统的空气 流动进行详细计算研究1但是费用较高1计算时需要划 分十几万乃至上百万个计算网格1并且需要较长的计 算时间9"1’:3;<=>?@等人应用一维流动模型计算了汽 车发动机冷却空气流动问题9*:3装甲车辆与汽车相比1 其动力舱容积极其有限2气流流动模式复杂2流道横截 面积变化大1并且经常在变工况和很恶劣的外界环境 状况下工作1对冷却系统的性能有着更高的要求1因此 迫切需要有适合于工程应用的装甲车辆发动机冷却空 气流动性能分析的方法3目前还缺少对相关问题的研 究3 因此1本文基于一维动态可压缩气体流动方程建 立了装甲车辆冷却系统空气流动的仿真模型1考虑了 车辆动力舱内流道几何尺寸2壁面摩擦2散热器传热2 风扇做功以及分支流动对冷却气流的影响3对一台履 带式装甲车辆发动机冷却系统的空气流动进行了实例 仿真1将仿真的冷却空气流量率图与公开发表的试验 结果进行了对比3研究了散热器芯部壁面温度2进排气 百叶窗流道面积和摩擦阻力系数等参数对冷却空气流 量率的影响3 A 仿真模型 装甲车辆动力舱内的冷却空气流量是由冷却风 扇的运转和车辆行驶的迎风效应产生的1气流流道通 常由进排气百叶窗2散热器2风扇和各种管道组成3影 响冷却空气流动性能的主要因素有冷却空气流动通道 的几何尺寸2流动通道的流动阻力2散热器的性能特 性2风扇的性能特性2车辆运行状况及环境状况等3假 定空气在动力舱内的流动是一维的1描述一维动态可 压缩气体流动的连续方程2动量方程和能量方程为 B&CD( BE F B&DG( BH I # &"( B&CDG( BE F B&CDG’( BH IJ D BK BHJ CLDF MN OKPD QN &’( B BE9CD&RSTF G ’U’(:F BBH9CDG&RSTF G’U’F KUC(:I CVDF MNWNUQN &*( 式中!C2K2T2G分别是空气密度2压力2温度和速度4D 是流动通道横截面积4E2H分别是时间和沿流动方向 的距离4L2V是单位质量的摩擦力和单位质量的传热 量4WN2OKP是风扇功率和风扇静压力增量4QN是风扇特 征长度4MN是开关数1对于通过风扇的流动1MN等于 "1 否则 MN等于 #3 假定直接作用在气流上的摩擦力方向与气流局 部流动方向相反3单位质量摩擦力由摩擦阻力系数 X 第 ’#卷&’##’(第 )期 内 燃 机 学 报 YZ[\][^_‘a\]abcdecf ghi j’#&’##’(kh llllllllllllllllllllllllllllllllllllllllllllllllllllllllllllllllllllll j) 0 收稿日期!’##’$#"$#*4修订日期!’##’$#*$’#3 基金项目!国家自然科学基金资助项目&m##+n#)+(3 作者简介!毕小平&"%m"J(1女1博士1教授1主要研究方向为军用车辆动力传动系统性能3 和部件的水力直径 !求出" #$ %& ’ ’ ( ! )(* 设普朗特数等于 +,应用雷诺比拟,由摩擦阻力系数- 壁面温度和气体瞬时温度得到单位质量传热量" .$ /0 %’1&1 ( !)234 2* )5* 风扇功率由风扇总压头 6-风扇吸风量 78-风扇机械 效率 9+和流动效率 9’计算" :8$ 678 9+9’ );* 风扇的吸风量根据车辆)动力和传动装置*冷却系统 和润滑系统所需要的冷却风量决定< 应用理想气体性质和状态方程,将公式)+*=)>* 进行变换后,得到" ?@ ?AB ?)@&* ?C $4 @& D)EFG* DC )H* ?)@&* ?A B ?)@&’B 0* ?C $ 4 @& ’D)EFG* DC 4 @#B I8 J0K L8 )M* ? ?A @&’ ’ B 0N OP4 +B ??C & 0PP4 +B @& ’ N OQ R’ $ 4 & @& ’ ’ B P0N OP4 +D)EFG*DC B @.B I8:8GL8 )S* 式中"P是比热比<公式)H*= )S*是一阶拟线性双曲 型微分方程组,应用TUVWXYFDZ[88两步有限差分法求 解<在计算中沿着流动方向采用矩形网格,时间步长满 足 \[]ZUF^W_Z‘YDZ‘abKWTY3c判据" JA$ )I#d*JCeIB 1&1fgUV )+h* )I#d*i +jh 式中"I表示声速< 对于不同方向的流动,用分支汇接点的计算处 理<在步长 AB DA时刻,汇接点满足以下方程" D@N ODAk$ l )@&G*‘F4l)@&G*[]^ 7m )++* DQ)@7*m)In2B &’o’*R DA $l)@&G*‘F)In2B 0o@B &’o’*‘F4l)@&G*[]^)In2B 0o@B &’o’*[]^ )+’* 式中"In是定容比热p7是冷却空气容积流量率p下标 m表示汇接点参数p下标‘F和[]^分别表示流入和流出 汇接点的参数< 在流动边界上,假定空气流入动力舱的进口边界 为亚声速等熵流动,空气流出动力舱的出口边界为等 压流动" 0+$ 0U 2+ 2N OU P P4+ )+>* &+$ 0’&’G’ 0+G+ )+(* 2+$ 2UB n’U ’I04 &’+ ’I0 )+5* 0q $ 0U )+;* I02rB &’ro’$ I02r4+B &’r4+o’ )+H* 式中"下标 U表示环境参数< 计算初始时,A$ h,0$ 0+)C*,&$ &+)C*,2$ 2+)C*< s 仿真实例 应用以上仿真模型,对一台履带式装甲车辆发动 机冷却系统的空气流动进行了仿真计算<车辆动力舱 结构示意图如图 +所示,其中散热器由水散热器和机 油散热器组成,水散热面积为 ;hj5g’,机油散热器面 积为 Sg’<风扇是由发动机驱动的机械传动离心式风 扇,风扇进口平均直径为 hj5(g,工作轮进口宽度为 hj+;Hg,机械效率为hjM5,流动效率为hj’HM<风扇吸 风量与静压力增量取自试验数据<动力舱中的各种管 路未在图中画出,但是在仿真模型中将其作为流动阻 力处理,以反映其影响<车辆运行的环境温度为 ’S( t,环境压力为 +h+j>’5uvU< 图 w 装甲车辆动力舱示意图 xyz{w |}~!}"#$"%y&’""(zy("&!~)*}+~"(+,&%"~" 图’是通过仿真得到的冷却系统空气流量率随车 辆行驶速度的变化情况,风扇转速分别为 ’(hhZog‘F 和 +MhhZog‘F<当车辆行驶速度增加时,初始冷却空 气流量变化较小,大约在车速(hugob以后,冷却空气 流量率随着车速的增大而较快地上升<当风扇转速升 高时,冷却空气流量率明显增加<与其它类型的车辆相 比,由于装甲车辆的平均行驶速度较低,因此风扇对冷 却系统空气流动的影响要比车辆行驶迎风效应的影响 大得多< 为了进行比较,图 >示出了 X‘EE‘UgK对一台汽车 发动机冷却系统试验得到的冷却空气流量率图Q(R<对 -5H>-’hh’年 H月 毕小平等" ...................................................................... 装甲车辆发动机冷却系统空气流动的仿真模型 比图!和图"#可以看出两者的流量率曲线变化趋势基 本相同$ 图 % 仿真的冷却空气流量率随车速的变化 &’()% *’+,-./01233-’4(.’56-375./0 8059,980:’2-09;001 图 < =’--’.+9实测的冷却空气流量率随车速的变化 &’()< >0.9,501233-’4(.’56-375./08059,980:’2-0 9;001?@=’--’.+9 图 A是当车辆行驶速度和风扇转速突然改变时# 仿真得到的车辆动力舱内冷却空气流速随时间的瞬态 变化情况#图中的空气流速是水散热器的出口值$初始 车辆速度为B#风扇转速为CCBBDEFGH#当车辆速度与 风扇转速突然上升时#空气流速增加#经过一段瞬态变 化过程以后#逐渐趋于稳定值$空气流速的动态响应时 间为 BIC!J$ 图 K 仿真的冷却空气流速随时间的瞬态变化 &’()K *’+,-./01/5.49’04/233-’4(.’56-379;001 8059,9/’+0 表C是在车辆行驶速度为"BLFEMN风扇转速为 !BBBDEFGH时#仿真得到的散热器芯部壁面温度的变 化对冷却空气流量率的影响$随着散热器芯部壁面温 度的增大#冷却空气流量率减少$ 表 O 仿真的冷却空气流量率随散热器芯部壁面温度的变化 P.?)O *’+,-./01233-’4(.’56-375./08059,95.1’./35 23507.--/0+;05./,50 QRES "B" "C" "!" """ TEF"UJVC ")""C ")!!W ")C!X ")B!" 表!和表"是在车速为"BLFEM#风扇转速为 !BBBDEFGH时#分别改变进气百叶窗与排气百叶窗流 道面积#仿真得到的冷却空气流量率的变化$YG表示 进气百叶窗流道面积#YZ表示排气百叶窗流道面积$ 当百叶窗流道面积增加时#由于流动阻力减小#使冷却 空气容积流量率增加$可以看出#进气百叶窗流道面积 对冷却空气流量率的影响要比排气百叶窗大$ 表 % 仿真的冷却空气流量率随进气百叶窗流道面积的变化 P.?)% *’+,-./01233-’4(.’56-375./08059,9’4-0/ (5’--6-37.50. YGEF! B)A B)X B)[ B)\ TEF"UJVC !)C\" !)W]C ")C!X ")AW! 表 < 仿真的冷却空气流量率随排气百叶窗流道面积的变化 P.?)< *’+,-./01233-’4(.’56-375./08059,90^:.,9/ (5’--6-37.50. YZEF! B)A B)X B)[ B)\ TEF"UJVC !)WWX ")C!X ")C\] ")!"" 图]是在车辆行驶速度为!BLFEMN风扇转速为 !ABBDEFGH时#分别改变风扇和散热器的摩擦阻力系 数#仿真得到的冷却空气流量率的变化$随着摩擦阻力 系数的增大#冷却空气流量率减少$可以看出#与散热 图 _ 仿真的冷却空气流量率随摩擦阻力系数的变化 &’()_ *’+,-./01233-’4(.’56-375./08059,965’2/’34 509’9/.4206.2/35 ‘X["‘ 内 燃 机 学 报 第 !B卷第 A aaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaa 期 器相比!风扇摩擦阻力系数的变化对冷却系统空气流 量率的影响相对较小" # 结 论 基于一维动态可压缩气体流动方程!本文首次建 立了装甲车辆发动机冷却系统空气流动仿真模型"对 一台履带式装甲车辆发动机冷却系统的空气流动进行 了实例仿真!仿真得到的冷却空气流量率图与公开发 表的试验结果的变化趋势基本相同"研究了散热器芯 部壁面温度$进排气百叶窗流道面积$摩擦阻力系数等 参数对冷却空气流量率的影响" 仿真结果显示%冷却风扇的工作是装甲车辆发动 机冷却系统空气流动的主要驱动力!车辆行驶迎风效 应的影响相对较小&散热器芯部壁面温度升高$进排气 百叶窗流道面积减小及摩擦阻力系数的增大都使冷却 空气流量率降低!但进气百叶窗流道面积对冷却空气 流量率的影响比排气百叶窗大!散热器摩擦阻力系数 对冷却空气流量率的影响比风扇摩擦阻力系数大" 这个仿真模型可以为研究装甲车辆发动机冷却 系统的空气流动提供一种理论分析手段" 参考文献% ’() *+,-.!/010+,02!/0304567893-:0;<-87;0=-+1+> ?@399A-891B-+10;C1D-19E+8F03=891=*-3G;+H-1 GIAJ9@-:;9B’E)5<*CK0F93LMMMNO!(LLMP ’Q) RS14 <567893-:0;01TCUF93-891=0;<=7TS+>?@399 A-891B-+10;G;+H -1C1D-19V++8’E)5<*CK0F93 LOMQWM!(LLOP ’X) E@-01DC E!/701DY K EP* Z19[A-891B-+10; ?301B-91=E+8F39BB-\;9G;+H 4+T9;>+3E++;-1D *-3>;+HV0=9E+8F7=0=-+1’E)5<*CK0F93LMMWQ(! 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