工程機(jī)械熱管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法論文

1/1工程機(jī)械熱管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法論文工程機(jī)械熱管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法論文

1熱平衡分析

熱平衡狀態(tài)下，各處溫度保持恒定不變，各系統(tǒng)的吸、放熱量相等。(1)發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻系統(tǒng)Q0=Q1=P1，式中:Q0為冷卻液通過(guò)發(fā)動(dòng)機(jī)時(shí)的吸熱量;Q1為冷卻液通過(guò)水箱散熱器時(shí)的放熱量;P1為水箱散熱器的換熱量。

(2)液力傳動(dòng)散熱系統(tǒng)Q21=P2，式中:Q21為液力油通過(guò)液力散熱器時(shí)的放熱量;P2為液力散熱器的換熱量。Q21+Q22=Q2，其中Q22=∑KdiAdiΔtdi。式中:Q22為液力系統(tǒng)油箱、變速箱和輸油管路等表面的放熱量;Q2為液力變矩器的液力損失;Kdi、Adi和Δtdi分別為液力系統(tǒng)油箱、變速箱和輸油管路等表面的散熱系數(shù)、外表面面積和油與環(huán)境的溫度差。

(3)液壓傳動(dòng)散熱系統(tǒng)Q31=P3，式中:Q31為液壓油通過(guò)液壓散熱器時(shí)的放熱量;P3為液壓散熱器的換熱量。Q31+Q32=Q3，式中:Q3為液壓系統(tǒng)的能量損失;Q32為液壓系統(tǒng)油箱、液壓缸和輸油管路等表面的放熱量。

(4)冷卻風(fēng)散熱系統(tǒng)Q4=Q1+Q21+Q31=P1+P2+P3，式中:Q4為空氣通過(guò)散熱器組時(shí)的吸熱量。雖然傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法存在對(duì)細(xì)節(jié)考慮不足的缺點(diǎn)，但其具有對(duì)問(wèn)題表達(dá)方便以及計(jì)算過(guò)程簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)，對(duì)某些問(wèn)題也不失準(zhǔn)確性，故仍作為設(shè)計(jì)和研究熱交換系統(tǒng)的基本方法，具有較大的使用價(jià)值。

2試驗(yàn)研究

試驗(yàn)研究是利用先進(jìn)的物理試驗(yàn)技術(shù)，對(duì)實(shí)際熱管理系統(tǒng)關(guān)鍵部位的主要工作參數(shù)進(jìn)行測(cè)量分析。任何理論計(jì)算方法都是建立在某些假定條件上的抽象方法，都有其適用范圍，偏離了其適用范圍，計(jì)算結(jié)果就會(huì)產(chǎn)生較大偏差。由于流體傳熱問(wèn)題的復(fù)雜性，人們目前對(duì)某些方面的認(rèn)知還不夠深入和準(zhǔn)確，試驗(yàn)研究仍是不可缺少的手段。試驗(yàn)測(cè)試系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示[5]84，88[7]20。

3流場(chǎng)的`數(shù)值模擬分析

工程機(jī)械主要利用流體來(lái)完成傳熱，流動(dòng)特征對(duì)傳熱效果和能量損失有著較大影響，合理設(shè)計(jì)流道是非常必要的。隨著計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)(CFD)技術(shù)在傳熱方面應(yīng)用的不斷深入，利用數(shù)值模擬計(jì)算分析流場(chǎng)，可獲取大量的流動(dòng)細(xì)節(jié)數(shù)據(jù)，有利于分析產(chǎn)生不良性能的原因?？衫肅FD技術(shù)對(duì)冷卻風(fēng)流場(chǎng)、散熱器中流體流動(dòng)及傳熱特性、發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻水腔內(nèi)部流動(dòng)、液力變矩器以及液壓元件內(nèi)部流動(dòng)等進(jìn)行分析。引入CFD技術(shù)可彌補(bǔ)傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法的不足，并降低開發(fā)成本和縮短開發(fā)周期，它已成為國(guó)內(nèi)外自主創(chuàng)新和自主設(shè)計(jì)的重要技術(shù)支持之一[5]8[6]4[7]20，501。例如冷卻風(fēng)流道由機(jī)罩、發(fā)動(dòng)機(jī)、導(dǎo)風(fēng)罩、風(fēng)扇和散熱器組構(gòu)成，其中流動(dòng)比較復(fù)雜，不同部位流態(tài)差別也較大。在設(shè)計(jì)機(jī)罩、導(dǎo)風(fēng)罩和風(fēng)扇等時(shí)，可以借助CFD軟件對(duì)流場(chǎng)進(jìn)行數(shù)值模擬分析，由此對(duì)上述部件的結(jié)構(gòu)形狀進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)。利用冷卻風(fēng)流場(chǎng)的數(shù)值模擬結(jié)果，還可以計(jì)算出冷卻風(fēng)的平均集總參數(shù)，用于對(duì)整機(jī)熱管理系統(tǒng)的計(jì)算機(jī)仿真分析[10-11][12]092802-6。

3.1流場(chǎng)數(shù)值模擬分析

對(duì)流場(chǎng)進(jìn)行數(shù)值模擬分析主要包括建立計(jì)算域、計(jì)算域網(wǎng)格劃分、流場(chǎng)數(shù)值模擬計(jì)算和計(jì)算結(jié)果分析。目前常用的CFD軟件有Fluent、STAR-CD和CFX等，由此進(jìn)行數(shù)值模擬計(jì)算大多可以得到比較滿意的結(jié)果，其中準(zhǔn)確設(shè)定流體密度和黏度等物性參數(shù)以及邊界條件是獲得準(zhǔn)確計(jì)算結(jié)果的關(guān)鍵[7]507。計(jì)算結(jié)果分析包括以下內(nèi)容。

(1)流場(chǎng)分析觀察分析流速及壓強(qiáng)等物理量的大小及分布特點(diǎn)，分析流場(chǎng)中渦流、滯流、回流、卡門渦列等流動(dòng)特征的位置和強(qiáng)度，分析它們對(duì)工作性能的影響。

(2)典型斷面主要參數(shù)的分析利用流場(chǎng)模擬計(jì)算結(jié)果，可計(jì)算出平均流速、平均壓強(qiáng)、流量和阻力等參數(shù)，進(jìn)而可計(jì)算出流速系數(shù)和阻力系數(shù)等參數(shù)。據(jù)此分析流動(dòng)參數(shù)與流道幾何結(jié)構(gòu)、尺寸以及工作參數(shù)之間的相互影響，為設(shè)計(jì)高性能產(chǎn)品提供有價(jià)值的建議。

3.2裝載機(jī)冷卻風(fēng)流道的分析

針對(duì)XG953型裝載機(jī)，利用CFD技術(shù)計(jì)算了原結(jié)構(gòu)和幾個(gè)改進(jìn)（方案）的冷卻風(fēng)流場(chǎng)。重點(diǎn)從流速場(chǎng)、壓力場(chǎng)、流量和風(fēng)阻4個(gè)方面進(jìn)行比較分析，由此提出改善散熱效果的措施:

①封堵或盡量減小散熱器四周的間隙，避免熱風(fēng)回流;

②機(jī)罩后部靠頂部處開出風(fēng)口，以保證熱風(fēng)排出順暢;

③進(jìn)風(fēng)口采用風(fēng)阻較小的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，其位置盡量靠近風(fēng)扇進(jìn)口，以減小進(jìn)風(fēng)風(fēng)阻。采用前兩個(gè)措施后，可增加冷卻風(fēng)有效流量約15.2%。采用某一改進(jìn)方案，在高速跑車工況下，裝載機(jī)機(jī)罩出口冷卻風(fēng)速度分布如圖2所示。將機(jī)罩出口冷卻風(fēng)速度的計(jì)算值與試驗(yàn)測(cè)量值比較發(fā)現(xiàn)，計(jì)算值與試驗(yàn)測(cè)量值基本接近，表明采用數(shù)值分析方法能很好地解決實(shí)際問(wèn)題。

4計(jì)算機(jī)仿真

工程機(jī)械熱管理系統(tǒng)由多個(gè)子系統(tǒng)組成，實(shí)際工作中它們之間相互影響，單純依靠傳統(tǒng)計(jì)算分析方法，不易設(shè)計(jì)出整體性能良好的熱管理系統(tǒng)。因此，借助先進(jìn)的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)仿真技術(shù)，對(duì)整機(jī)熱管理系統(tǒng)的工作特性進(jìn)行模擬計(jì)算，無(wú)疑是解決這種復(fù)雜問(wèn)題的有效手段。利用計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)，可以計(jì)算出系統(tǒng)中各個(gè)部位的溫度、壓力和流量等參數(shù)的靜態(tài)和動(dòng)態(tài)特性，可以分析各參數(shù)對(duì)各子系統(tǒng)的影響以及各參數(shù)對(duì)系統(tǒng)性能的影響，有助于人們對(duì)系統(tǒng)更直觀、更全面、更深入的認(rèn)知，彌補(bǔ)傳統(tǒng)計(jì)算方法和試驗(yàn)的不足?？捎糜谠摲矫娴姆抡孳浖蠩ASY5、Flowmaster、MATLAB/Simulink和20-sim等[14]。

4.1XG953型裝載機(jī)散熱系統(tǒng)仿真模型

筆者利用EASY5軟件構(gòu)建了改進(jìn)后的XG953型裝載機(jī)散熱系統(tǒng)仿真模型，散熱系統(tǒng)包括發(fā)動(dòng)機(jī)散熱、液力傳動(dòng)系統(tǒng)散熱、液壓系統(tǒng)散熱和冷卻風(fēng)4個(gè)子系統(tǒng)，如圖3所示。

4.2仿真結(jié)果分析

在36℃環(huán)境溫度下，對(duì)裝載機(jī)在高速跑車工況下的熱平衡狀態(tài)進(jìn)行了仿真計(jì)算與試驗(yàn)測(cè)試，結(jié)果基本吻合(如表1和表2所列)。其中發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻水和液力傳動(dòng)冷卻油的熱平衡仿真曲線如圖4所示。

5結(jié)語(yǔ)

在工程機(jī)械熱管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)與研究中，集總參數(shù)計(jì)算分析主要是基于流體力學(xué)和傳熱學(xué)中的束流理論，計(jì)算分析平均流速、壓力、溫度、流量和換熱量等參數(shù);試驗(yàn)研究是利用物理試驗(yàn)技術(shù)，對(duì)實(shí)際系統(tǒng)的主要工作參數(shù)進(jìn)行測(cè)量分析;流場(chǎng)數(shù)值模擬分析是利用計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)技術(shù)，計(jì)算系統(tǒng)中零部件的內(nèi)部流場(chǎng)，分析流動(dòng)特征，研究流動(dòng)參數(shù)與流道幾何結(jié)構(gòu)、尺寸以及性能參數(shù)之間的關(guān)系;系統(tǒng)的計(jì)算機(jī)仿真分析是對(duì)整機(jī)熱管理系統(tǒng)的工作特性進(jìn)行模擬計(jì)算，研究工作參數(shù)與系統(tǒng)性能的關(guān)系。采用整體系統(tǒng)設(shè)計(jì)與研究思想，將集總參數(shù)計(jì)算分析、試驗(yàn)研究、流場(chǎng)數(shù)值模擬分析和系統(tǒng)的計(jì)算機(jī)仿真分析有