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                        裝載機冷卻風扇的氣動性能與氣動噪聲改造

                        添加時間:2019/06/14 來源:吉林大學 作者:孫超
                        散熱模塊是裝載機冷卻系統重要組成部件。本文以雙循環冷卻系統散熱模塊為研究對象,利用試驗與 CFD 數值仿真相結合的研究方法,對雙循環冷卻系統散熱模塊單體及其總成性能進行了研究。
                        以下為本篇論文正文:

                        摘 要

                          對外“一帶一路”、對內供給側結構性改革等有利政策的實施大大拓寬了工程機械產品的銷售市場,國內外日趨嚴格的污染物排放法規促使相關企業加快了產品更新換代的步伐。工程機械本身工作環境惡劣、作業車速低、熱源系統數量多、尾氣中污染物密度高,加之大功率發動機的使用對整車冷卻系統提出更高要求。因此,通過設計開發高效冷卻系統及其散熱模塊來提升整車熱管理水平,提高整車燃油經濟性和動力性、降低污染物排放量成為目前工程機械整車熱管理領域的研究熱點之一。本文結合“面向節能與安全的集成智能化工程機械裝備研發”

                          國家科技支撐計劃項目,以搭載雙循環冷卻系統的裝載機為研究對象,采用數值仿真與試驗相結合的研究方法,對典型工況下的新型散熱模塊總成的流場特性、傳熱特性以及冷卻風扇的氣動性能與氣動噪聲等進行了分析與改進,為工程實踐提供了指導。全文的主要研究內容包括以下幾個方面:

                          首先,對計算流體動力學(CFD)仿真技術理論基礎、雙循環冷卻系統構成與工作原理進行簡介,建立了搭載雙循環冷卻系統散熱模塊的某 50 型裝載機虛擬風洞仿真模型,根據雙循環冷卻系統散熱模塊設計參數與試驗車輛散熱需求確定Fluent 數值模擬邊界條件與求解方法,研究分析了裝載機動力艙內環境(尤其是散熱模塊部分)空氣側速度場與溫度場分布特征。

                          其次,通過裝載機整車熱平衡試驗驗證了虛擬風洞仿真模型計算結果的準確性,并采用 CFD 軟件預測了海拔高度對散熱模塊傳熱性能的影響。進一步,研究了冷卻風扇與散熱器安裝間距、風扇形式與后置安裝、低溫冷卻回路散熱器冷卻液流動路徑等對新型散熱模塊性能的影響,為產品在工程上的性能優化提供了指導。

                          再次,建立冷卻風扇性能仿真模型,通過圓弧彎板風扇仿真數據與試驗數據對比驗證了仿真方法的可靠性。根據新型散熱器流量-壓力損失特性,依照孤立翼型法與變環量參數設計法設計了一款基于 CLARKy 翼型曲線的冷卻風扇,采用CFD 仿真技術對 CLARKy 翼型冷卻風扇的氣動性能和氣動噪聲性能進行了預測,仿真結果表明 CLARKy 翼型風扇全壓、靜壓、靜壓效率隨流量的變化趨勢與圓弧彎板風扇整體變化趨勢具有一致性。在氣動性能方面,當空氣流量小于 9.11 m3/s時,CLARKy 翼型風扇靜壓效率高于圓弧彎板風扇,但隨著流量的增加二者差值變;在氣動噪聲方面,轉速為 2000r/min 時 CLARKy 總聲壓級為 95.15dB,較圓弧彎板風扇降低 3.42%。

                          最后,對于 CLARKy 翼型風扇,分別研究了葉片夾角不等距分布、分流葉片以及葉頂圓環等結構對風扇氣動性能與氣動噪聲的影響,為風扇性能優化提供了參考。建立 4 組基于不同翼型風扇的散熱模塊三維模型,CFD 仿真結果表明 4組散熱模塊都不同程度的提升了動力艙后部格柵出口空氣流速均勻性。

                          關鍵詞:雙循環冷卻系統,CFD, 散熱模塊,冷卻風扇,氣動噪聲

                        ABSTRACT

                          The implementation of favorable policies such as the “One Belt and One Road” in the international market and the structural reform of the domestic supply side has greatly broadened the sales market for construction machinery products. In addition, increasingly stringent pollutant emission regulations at home and abroad have prompted related companies to accelerate the pace of product replacement. In addition to the harsh working environment, low operating speed, large number of heat source systems, and high pollutant concentrations in the exhaust gas, high-power engines impose higher requirements on the cooling capacity of the vehicle's cooling system for construction machinery. Therefore, it is one of the research hotspots in the field of engineering machinery thermal management by designing and developing an efficient cooling system and cooling module to improve the thermal management level of the vehicle, enhancing the fuel economy and power of the vehicle, and reducing the emission of pollutants. This article relies on the national support plan science and technology project “Integrated Intelligent Construction Machinery Equipment Development for Energy Saving and Safety”, and takes the loader vehicle equipped with a double circulation cooling system cooling module as the research object, adopting a combination of numerical simulation and experimental research methods. The flow field and heat transfer characteristics of the new heat dissipation module assembly under typical working conditions, as well as the aerodynamic performance and aerodynamic noise of the cooling fan unit were analyzed and improved. The research work done in this paper provides guidance for engineering practice The main research content of the full text includes the following aspects:

                          Firstly, the theory of Computational Fluid Dynamics (CFD) simulation technology and the structure and working principle of the dual-circulation cooling system and its compact heat dissipation module are introduced. A simplified three-dimensional model of a 50-type loader equipped with a dual-circulation cooling system cooling module under a virtual wind tunnel was established. The boundary conditions and solution methods of the Fluent numerical simulation were determined according to the design parameters of the cooling system cooling module of the double-circulation cooling system. The internal air velocity field and temperature field distribution characteristics of the cooling module were analyzed.

                          Secondly, the accuracy of the simulation results of the virtual wind tunnel simulation model is verified by the heat balance test of the loader, and the influence of altitude on the heat transfer performance of the heat dissipation module is predicted by the CFD software. Further, the influence of the space between the cooling fan and the radiator, the form and position of the fan and the cooling fluid flow path in the radiator on the performance of the new heat dissipation module have been studied, which provides guidance for the optimization of the performance of the product in the engineering.

                          Thirdly, the performance simulation model of the cooling fan is established, and the reliability of the simulation method is verified by comparing the simulation data of the circular curved plate fan with the experimental data. Based on the flow pressure loss characteristics of a new type of radiator, a cooling fan of CLARKy airfoil curve is designed under the guidance of the theory of isolated airfoil and variable loop parameter design method. The aerodynamic performance and aerodynamic noise performance of the CLARKy airfoil cooling fan are predicted by CFD simulation. The simulation results show that the variation trend of the total pressure, static pressure and static pressure of the CLARKy airfoil fan with the flow rate is consistent with the overall trend of the circular curved fan. When the air flow is less than 9.11 m3/s, the CLARKy stat icefficiency of the airfoil fan is higher than that of the circular curved plate fan, but with the increase of the flow rate, the difference between the two fans becomes smaller. When the speed is 2000r/min, the total sound pressure level of CLARKy is 95.15dB, which is 3.42% lower than that of the circular curved fan.

                          Finally, for the CLARKy airfoil fan, the influence of the blade angle unequal distribution, the split blade and the top ring of the blade on the aerodynamic performance and aerodynamic noise of the fan is studied, which provides a reference for the optimization of the fan performance. 4 groups of three dimensional model of heat dissipation module based on different airfoil fans are established. The results of CFD simulation show that they play an active role in improving the air velocity uniformity of the rear grid outlet of the power cabin.

                          Key words:Double-cycle cooling system,CFD,cooling module,cooling fan,aerodynamic noise.

                          裝載機作為工程機械的一種,因其作業速度快、效率高、機動性好、操作輕便等優點得到廣泛應用,有力促進了我國建筑、道路、橋梁等行業的迅速崛起,在經濟高速發展中扮演了重要角色。雖然我國的工程機械研究起步較晚,但對于挖掘機、盾構機、混凝上泵車、旋挖鉆機、攤鋪機、履帶式起重機等諸多機型已經由從國外整車引進發展到獨立研究開發階段,與發達國家相關產品的技術差距正在逐步縮小,涌現出以徐工集團、廣西柳工集團、中聯重科股份有限公司、山推工程機械股份有限公司、三一重工集團、廈門廈工機械股份有限公司等為代表的一批優秀中國工程機械企業,呈現外資、國企和民資企業三足鼎立的產業格局。

                          2017 年 10 月全國共計銷售各類挖掘機械產品 10541 臺,同比漲幅 81.2%,預計2018 年挖掘機械行業將繼續保持穩定增長態勢,增幅約在 10%-30%區間內。經濟的快速發展帶來了嚴重的環境污染問題。依據《巴黎氣候協定》,中國承諾到 2020 年爭取實現碳排放強度降低 40%-45%的目標,十九大報告中明確提出我國將以更加積極開放的姿態加入全球生態文明建設中去,與各國一道努力保護好我們共同的生活家園。工程機械行業作為內燃機產品中除汽車行業之外的第二大使用行業,由于其排放的尾氣中污染物密度大,對環境的污染更為嚴重。在法規實施方面,美國率先從 2014 年正式執行第四階段污染物排放標準(40 CFRPART 1039)限值要求,我國《國家環境保護標準“十二五”規劃》也重點強調要更加嚴格地把控污染物排放,要盡快建立健全工程機械、船舶等排放標準法規,加強已有法規的執法力度。國內企業方面,如圖 1 所示,山東臨工率先推出一款能夠滿足世界最嚴厲污染物排放要求的 L959F 環保型裝載機。該型裝載機配備了馬達獨立驅動系統,從而可以根據使用狀況和散熱需求來智能調節風扇轉速,降低了系統驅動功耗,標志著我國工程機械企業在生產制造、環境友好型工程產品方面走在了世界前列。

                          發動機燃料燃燒產生的能量除轉化為機械能推動曲軸做功外,其它都以熱量的形式散失。熱傳遞主要存在熱傳導、輻射傳熱及對流傳熱三種基本形式,以 50型裝載機機發動機轉速 2000r/min、鏟裝工況下的工作狀態測算,約有 32%的熱量由冷卻液帶走并在散熱模塊中與外界環境發生強制熱交換[1]。整車熱管理技術作為裝載機關鍵技術之一,其主要內容為從系統集成與整體角度出發,根據整車不同工況作業散熱需求,在熱量傳輸過程中進行綜合控制和系統管理,最終實現通過自動調節車輛冷卻強度滿足冷卻需要,保障各零部件處在安全工作溫度區間內,以此來保障和提升整車燃油經濟性與動力性,降低車輛污染物排放量和維護費用等[2]。為提高裝載機整車散熱能力,部分學者從整車冷卻系統的角度出發,通過改變冷卻系統傳熱介質流動路徑來控制熱量的分配,如發動機分流冷卻技術、余熱回收技術[3-6]等。發動機渦輪增壓、廢氣再循環等技術的廣泛應用對整車冷卻系統及其散熱模塊性能提出了更高的要求,部分學者通過優化動力艙內散熱模塊(主要包括冷卻風扇、導風罩、散熱器)單體及其總成冷卻效率的方式來提高冷卻系統的散熱能力[7-11]。裝載機工作環境復雜惡劣,具有發動機熱源系統、液壓熱源系統、傳動熱源系統和中冷器等多個熱源系統,在更嚴峻的環境保護與污染物排放控制法規實施背景下,深入細致的研究整車冷卻系統及其關鍵部件具有重要工程應用價值。

                          散熱器是車輛冷卻系統與外界進行熱交換的重要部件,在車輛應用領域,根據冷卻方式可分為風冷散熱器與水冷散熱器等,根據使用用途可分液壓油散熱器、傳動油散熱器、發動機散熱器、駕駛室空調散熱器、機油散熱器以及中冷器等。車用散熱器一般由芯體、水室、主片、側板與安裝支架等部分構成,如圖 1.2 所示,根據芯體部分翅片形式不同又可分為管帶式是散熱器、管片式散熱器、板翅式散熱器等。

                          現階段國內外學者關于散熱器性能的研究主要是通過試驗或 CFD 數值計算的方式,分析不同芯體翅片結構參數或流體介質對散熱器壓力損失與傳熱特性的影響。國外 Sang[12]為預測百葉窗翅片散熱器流動和傳熱特性,提出一種多尺度半微型換熱數值計算方法,有效節省了百葉窗翅片散熱器結構優化設計時間;RajuJadar[13]指出在散熱器設計中采用納米集成翅片材料代替鋁翅片,對流換熱效率比常規散熱器的提高 10%以上;Dattatraya G[14]以水/乙二醇納米流體作為汽車散熱器冷卻液替代傳統冷卻液,通過試驗發現在相同散熱效果下采用納米流體時流動阻力減少 0.2%,而傳熱效率提升 30%;Akhilnandh Ramesh[15]設計了一種可用于車輛的螺旋式緊湊散熱器,該散熱器采用周向鋁翅片,能夠有效提升散熱器的傳熱效率;Shi-Ing[16]基于 Star-CCM+ 商業軟件比較和討論了兩種不同形式的翅片管換熱器在不同風速下的壓降和散熱量,并進行了結構優化。國內張奧[17]采用CFD 仿真方法分析了翅片厚度、高度、節距與錯齒長度等結構參數對散熱器冷、熱側鋸齒型翅片換熱性能和阻力特性的影響;劉佳鑫[18]以散熱量和壓力損失為評價指標,對比分析了冷側不同翼型熱管結構的散熱器翅片 J/F 因子仿真值,得出NACA0021 具有較高的換熱系數和壓力損失;徐振元[19]以波紋翅片散熱器為研究對象,探討了三角廓形翅片、三角倒圓角廓形翅片和正弦廓形翅片等三種波紋廓形對翅片換熱系數和壓力損失的影響,并以綜合 J/F 評價因子和場協同角對三種廓形波紋翅片的工作性能做了比較;Zhang[20]基于田口方法定性分析了燃料電池發動機冷空氣加熱系統中板翅式散熱器波紋翅片結構參數對散熱器傳熱和壓降的影響,通過 CFD 仿真結果發現翅片長度對散熱器的綜合傳熱性能影響最大,為優化空氣預熱系統和提高傳熱量提供了指導;郭健忠[21]通過試驗驗證了運用多孔介質模型計算某型汽車管帶式百葉窗散熱器阻力方法的可靠性,并計算出滿足散熱需求的百葉窗散熱器翅片間距與開窗角度的最優值;劉曉[22]使用通過對比分析外部參數相同的管片式和管帶式散熱器冷測阻力特性和表面傳熱特性 CFD 仿真值,得出管帶式較管片式空氣流通阻力較大,但散熱性能得到較大提升。除散熱器單體自身性能外,若要高效的消散車輛產生的熱量,散熱模塊總成中單體之間的匹配特性也是重要影響因素。良好的散熱器組與風扇的空氣動力匹配可確保以最佳成本進行高效的整車冷卻系統熱管理。

                          在散熱模塊研究方面,Gullberg[25]詳細介紹了使用計算流體力學(CFD)預測車輛流場與換熱時風扇、散熱器的建模方法;Lisa Larsson[26]基于 CFD 技術對比分析了重型卡車散熱模塊前置與后置時流動阻力與散熱性能的區別,仿真結果表明在相同冷卻效果下散熱模塊后置時風扇轉速需要提升 23%;Thorat[27]采用多孔介質模型表征散熱器模型,通過改變孔隙率改變風扇下游阻力,風扇性能仿真曲線和流場表明下游阻力增大減少了空氣流量,增加了驅動功率和葉尖渦流量;Srinivasa[28]基于 CFD 技術預測了風扇浸入比、與散熱器距離和護罩倒角長度比等設計變量對散熱器出口空氣質量流量、風扇功率和速度均勻性的影響。

                        裝載機冷卻風扇的氣動性能與氣動噪聲改造:

                        L959F 型裝載機整車
                        L959F 型裝載機整車

                        動力艙結構
                        動力艙結構

                         不同翅片結構散熱器對比
                        不同翅片結構散熱器對比

                        不同葉片特征冷卻風扇實物圖
                        不同葉片特征冷卻風扇實物圖

                        虛擬風洞物理模型
                        虛擬風洞物理模型

                        虛擬風洞網格劃分
                        虛擬風洞網格劃分

                        動力艙 X=0 截面
                         

                        目 錄

                          摘 要
                          ABSTRACT
                          目 錄
                          第 1 章 緒論
                            1.1 選題背景及意義
                            1.2 國內外研究現狀
                              1.2.1 散熱器研究現狀
                              1.2.2 散熱模塊研究現狀
                              1.2.3 冷卻風扇研究現狀
                            1.3 本文研究內容
                          第 2 章 雙循環冷卻系統散熱模塊 CFD 數值分析
                            2.1 計算流體動力學(CFD)理論基礎
                              2.1.1 基本控制方程
                              2.1.2 湍流方程
                              2.1.3 離散方程與求解方法
                            2.2 Fluent 軟件換熱器模型
                            2.3 裝載機雙循環冷卻系統
                            2.4 基于虛擬風洞的雙循環冷卻系統散熱模塊性能仿真
                              2.4.1 虛擬風洞物理模型
                              2.4.2 仿真模型前處理與求解參數設置
                            2.5 仿真結果分析
                              2.5.1 溫度場分析
                              2.5.2 速度場分析
                            2.6 本章小結
                          第 3 章 雙循環冷卻系統散熱性能試驗驗證與優化
                            3.1 裝載機整車熱平衡試驗
                              3.1.1 試驗目的與試驗方案
                              3.1.2 試驗結果分析
                              3.1.3 雙循環冷卻系統散熱模塊 CFD 仿真可靠性驗證
                              3.1.4 格柵出口空氣流速分布測試與均勻性分析
                            3.2 海拔高度對散熱模塊傳熱性能影響
                              3.2.1 海拔高度對散熱模塊傳熱影響分析
                              3.2.2 不同海拔高度下散熱模塊傳熱性能 CFD 計算
                            3.3 基于 CFD 的散熱模塊性能優化分析
                              3.3.1 風扇與散熱器間距對散熱模塊性能影響
                              3.3.2 風扇形式與后置安裝對散熱模塊性能影響
                                3.3.2.1 溫度場對比分析
                                3.3.2.2 速度場對比分析
                              3.3.3 冷卻液流動路徑對散熱器性能影響
                                3.3.3.1 溫差場均勻性因子
                                3.3.3.2 不同冷卻液流動路徑散熱器建模
                                3.3.3.3 仿真結果分析
                            3.4 本章小結
                          第 4 章 冷卻風扇設計與性能仿真優化
                            4.1 冷卻風扇結構與性能參數
                              4.1.1 冷卻風扇結構參數
                              4.1.2 冷卻風扇性能評價參數
                              4.1.3 氣動噪聲預測模型與模擬方法
                            4.2 圓弧風扇性能 CFD 仿真與試驗驗證
                              4.2.1 圓弧彎板風扇仿真模型
                              4.2.2 圓弧彎板風扇流場分析
                              4.2.3 仿真結果可靠性驗證
                            4.3 翼型冷卻風扇設計與性能分析
                              4.3.1 翼型冷卻風扇設計理論
                              4.3.2 翼型冷卻風扇建模
                              4.3.3 翼型冷卻風扇流場分析
                              4.3.4 冷卻風扇氣動噪聲對比分析
                            4.4 翼型冷卻風扇性能優化
                              4.4.1 葉片夾角不等距對風扇性能影響
                                4.4.1.1 葉片夾角不等距風扇建模
                                4.4.1.2 葉片夾角不等距風扇性能對比分析
                              4.4.2 分流葉片對風扇性能影響
                                4.4.2.1 分流葉片風扇建模
                                4.4.2.2 分流葉片風扇性能仿真分析
                              4.4.3 葉頂圓環結構對風扇性能影響
                                4.4.3.1 葉頂圓環風扇建模
                                4.4.3.2 葉頂圓環風扇性能對比分析
                            4.5 翼型風扇對動力艙格柵流場影響
                              4.5.1 基于翼型風扇的散熱模塊建模
                              4.5.2 基于翼型風扇的動力艙格柵出口速度場分析
                            4.6 本章小結
                          第 5 章 總結與展望
                            5.1 全文工作總結
                            5.2 展望
                          作者簡介
                          致 謝

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