特种车辆动力舱壁面降温结构仿真研究

李 亮，王 剑，付 伟

(中国北方车辆研究所，北京100072)

由斯蒂芬-玻耳兹曼定律可知，物体红外辐射强度取决于物体的温度和物体的发射率[1]，且与物体绝对温度的四次方成正比，因此实现物体红外隐身的最有效方法是尽可能降低物体表面的辐射温度.

在所选典型特种车辆动力舱的结构中，蜗壳为全封闭结构，整个动力舱被分为两个部分.后部为包含进排气百叶窗、散热器、风扇、蜗壳等散热系统风道;前部是一个复杂密闭空间，包括发动机、传动装置、空气滤清器、排烟管以及辅助系统等.发动机、传动装置以及排烟管等温度较高，部件都在密闭的空间内，散热性能差，主要通过壁面向车外散热，使动力舱壁面温度较高，造成动力舱红外特征明显[2].本研究设计降低动力舱壁面温度的结构，希望通过引入外界冷空气降低壁面温度，达到减少动力舱红外辐射的目的.

1 动力舱侧壁面降温结构仿真研究

本研究设计动力舱侧壁面双层风道冷却结构，在动力舱壁面内侧增加隔板结构，使侧壁面和动力舱之间形成空气间隙层，在空气间隙层前处的顶壁面开通气口，在隔板上温度较高的排烟管附近开6个气孔(¢50mm)，利用冷却系统风扇一部分压力和进气蜗壳上开的多个通气孔(¢100mm)，使动力舱内形成负压，让外界的冷空气流入隔板层，从隔板开孔处流入动力舱，经过进气蜗壳上的通气孔进入风扇风道，从排气百叶窗流出车外.此结构利用冷空气的流动降低侧壁面和动力舱内温度，从而降低动力舱红外特征，如图1所示.

图1 动力舱隔板结构简图

1.1 三维建模

动力舱侧壁面降温结构的三维模型如图2和图3所示.

图2 开孔蜗壳(气孔¢100mm)

图3 动力舱侧壁面隔板模型

1.2 仿真结果与分析[3-4]

动力舱侧壁面降温结构的仿真结果见图4.从图中可以看出由于引入外界冷空气，侧壁面温度有明显的降低效果.冷空气由壁面上部流入，在压力作用下流向排烟管壁面附近的气孔，在冷空气流经的地方温度明显降低，气孔附近降温效果显著，由于空气间隙层前部空气流动性差，侧壁面前部温度降低最少.排烟管附近内侧壁面温度降低15℃ ～25℃，内侧壁面中部温度降低了7℃ ～10℃，前部降温效果不明显.由于壁面内部隔板层引入的冷空气降低了壁面内表面温度，减少了从内部传递到壁面外表面的热量，使侧壁面外表面温度降低，达到了降低动力舱红外辐射的目的.

表1是侧壁面外表面原模型和降温结构模型在同一位置的仿真温度对比表.从表中可以看出，壁面外表面后部温度降低了14℃，中部温度降低了8℃，前部温度几乎不变，侧壁面内外表面降温趋势一致.

图4 左侧壁面内表面温度分布图 (K)

表1 侧壁面外表面温度对比表

1.3 蜗壳上气孔孔径对冷空气进气量的影响

通过调整进气蜗壳上开孔孔径大小，可调整冷空气从间隙层经过蜗壳气孔流向排气百叶窗的流量大小.按蜗壳气孔进气总面积递增50%的规律，分别对3个气孔孔径尺寸:¢50 mm，¢70 mm，¢100 mm，进行性能和变化趋势仿真研究.

表2是3种蜗壳气孔空气流量的对比表.从仿真分析结果可以看出，在满足散热器和风扇设计要求的同时，蜗壳气孔开孔越大流入间隙层的冷空气流量越大，侧壁面的降温效果越好.本研究中蜗壳开孔处空气流量不超过排气窗流量的2.5%，依据前人的研究成果，此种结构产生的散热器流量损失在不影响散热器热效率的范围内.

表2 3种蜗壳气孔空气流量的比较

2 动力舱顶壁面降温结构仿真研究

在所选特种车辆动力舱的结构中，发动机排气管位于发动机上部，造成发动机上方动力舱舱盖温度较高，具有明显的红外特征.本研究取消散热器上方舱盖的百叶窗结构，通过加装动力舱盖板把原来从百叶窗上方的进气方式变为经过舱盖上部的水平进气方式，利用散热器进气降低舱盖温度，如图5所示.

图5 动力舱盖结构简图

2.1 三维模型

图6是动力舱盖板结构三维模型.

图6 动力舱盖板三维模型

2.2 仿真结果与分析

图7 原动力舱舱盖温度分布图 (K)

本研究的车辆以40 km/h速度行驶，动力舱舱盖外表面因外界空气流动冷却降温，从图7中可以看出原动力舱舱盖平均温度为39℃左右，高于环境温度7℃，其中发动机上方舱盖温度高于环境温度9℃，为41℃左右.从图8可以看出，加入盖板后舱盖温度有所下降，发动机上方温度下降到36℃，降低了5℃，整个动力舱盖温度约下降了4℃.

图8 加装盖板后动力舱舱盖温度分布图 (K)

2.3 盖板高度对散热器进气阻力的影响

盖板高度直接影响散热器进气量、进气速度和进气压力.本研究设计了3种盖板高度，分析盖板高度对进气阻力的影响，高度分别为:50 mm，75 mm，100 mm，仿真结果见表3.

表3 三种盖板高度进气阻力的比较

从表3中可以看出，盖板结构有一定的压力损失，盖板高度越低进气阻力越大，引入的冷空气量越少，对壁面的降温效果也不好，所以在车辆整体结构允许的情况下应尽量提高盖板高度.

3 结论

本研究设计降低动力舱壁面温度的结构，希望通过引入外界冷空气降低壁面温度，达到减少动力舱红外辐射的目的.

设计降低特种车辆动力舱侧壁面温度的结构，应用FLUENT软件对此结构进行流场仿真分析，仿真结果表明:利用动力舱侧壁面双层风道冷却结构可达到降低侧壁面温度的效果，侧壁面降温优化结构最高可使侧壁面温度降低15℃;在动力舱舱盖上方设计加装盖板结构，可以使动力舱舱盖温度下降4℃左右.两种结构能够有效降低动力舱壁面温度，达到减少动力舱红外特征的目的.

[1]姚仲鹏，王瑞君，张习军.传热学[M].北京:北京理工大学出版社，1995.

[2]付 伟.某履带装甲车辆动力舱空气流场分析:[D].北京:北京理工大学，2008.

[3]毕小平，杨 雨.坦克排气流场与温度场的计算流体力学分析[J].兵工学报，2008，29(9):1025-1028.

[4]鲍积润，毕小平.坦克动力舱空气流动与传热影响因素的仿真研究[J].装甲兵工程学院学报，2005，19(1):62-65.