沙尘对装甲车辆散热器散热性能影响研究

桂 勇， 刘红彬， 周 亮， 骆清国， 司小雨

(1.陆军装甲兵学院， 北京 100072；2.陆军装甲兵军代局驻长春地区军代室，长春 130103)

散热器是装甲车辆冷却系统的重要组成部分，散热器在极限环境中的散热能力对发动机正常工作及整车性能的发挥具有重要意义[1-2].

我国高原、沙漠面积广阔，气候干燥，降水稀少，土质松软，沙尘与空气形成的气固两相流对散热器的散热效果影响较大[3-4].因此，研究不同沙尘条件对装甲车辆散热器散热性能的影响规律，有利于增强装甲车辆的环境适应性和战场生存能力.

本研究以某装甲车辆水散热器为研究对象，建立了沙尘环境下散热器散热性能试验台，通过正交试验法，设计了试验方案，通过试验，获取了边界条件.建立了风道及散热器三维模型，采用欧拉-拉格朗日法[5-6]，将沙尘颗粒和空气分别视为离散相和连续相，对沙尘颗粒采用离散相模型(discrete phase model，DPM)，对空气和水采用k-ε模型，并利用相间耦合的SIMPLEC算法，对散热器气侧和水侧流场进行三维数值仿真计算[7].通过试验验证了仿真模型的准确性，研究了不同沙尘条件对装甲车辆散热器散热性能的影响规律.

1 试验研究

1.1 工作原理

图1为沙尘试验原理示意图，试验中，在风扇的作用下冷却空气由空气入口进入风道，给料机将沙尘颗粒从冷却风道上端注入，沙尘颗粒与冷却空气通过均匀混合段形成均匀混合的含沙尘气流，随后对散热器进行冷却.散热器的风侧进出口分别布置有风速传感器和温度传感器，水侧进出口布置有温度传感器[8].

图1 沙尘试验原理示意图

1.2 试验台架及测控系统

图2为试验台架的给料机和风道的实物图，给料机为GZV微型电磁振动给料机.

图2 试验台架实物图

图3为参数采集系统界面，试验时可以通过采集系统观察和读取参数.

图3 参数采集系统

1.3 试验及分析

试验环境为：大气压力为0.101 MPa，温度24 ℃.散热器进口水流量为2.42 m3/h，温度为90 ℃.当风扇转速分别为1 000 r/min、1 500 r/min、2 000 r/min、2 500 r/min时，测得散热器迎风面风速分别为1.0 m/s、1.8 m/s、2.5 m/s、3.4 m/s.

目前国标和军标尚未制定装甲车辆散热器所处沙尘环境通用规范，但由于该环境与军标中装甲车辆空气滤清器所处沙尘环境相近，本研究采用该通用规范相关标准[9]，选取粒度为5 μm、20 μm、53 μm和200 μm四种典型粒径沙尘颗粒，沙尘浓度分别为0.5 g/m3、1.0 g/m3、1.5 g/m3、2.0 g/m3.采用正交试验设计法设计试验[10-11]，表1为选定的因素和水平.

表1 正交试验因素水平表

由于没有三因素四水平正交表，这里使用L16(4^5)正交表，将最后两列当做空列，确定出16种试验方案.对同一试验工况重复采集5次数据，求取平均值作为最终数据，试验结果如表2所示.

表2 试验结果

2 仿真模型

2.1 物理模型建立

目前，装甲车辆上普遍采用的是板翅式散热器，其主要由气侧、水侧矩形翅片和隔板组成，根据实物几何参数，利用Pro/E建模软件，建立三维实体模型如图4所示.

图4 散热器三维实体模型

由于板翅式散热器芯体结构复杂，气侧、水侧翅片数目较多，直接对整体模型进行数值模拟，生成的网格数量巨大，对计算机硬件和计算时间要求高，甚至无法承受[12-14].为节省计算资源，以板翅式散热器的基本单元为研究对象，其三维实体模型如图5所示.

2.2 流体域模型建立及网格划分

分别建立气侧和水侧流体域模型，为使流体流动得到充分发展，同时防止出口产生回流，建立气侧流体域模型时，设置空气入口与出口到散热器的距离为其高度的3倍和6倍[15]，如图6所示.利用Mesh网格划分软件，对散热器基本单元及其气侧和水侧流体域进行网格划分，对各计算域接触部位进行网格加密，如图7所示.

图5 散热器基本单元三维实体模型

图6 流体域模型

图7 网格模型

3 对比验证及结果分析

利用通过试验得到的边界条件，进行仿真计算，并对模型进行修正.表3为散热器出风口温度试验与仿真对比结果，可以看出，相对误差最大为7.43%，仿真模型计算误差在允许的范围之内.

表3 仿真值与实测值误差对比

3.1 沙尘颗粒运动轨迹模拟

图8为不同流速条件下沙粒分布. 沙尘颗粒在进入散热器翅片管束前，在重力和冷却风的作用下，速度逐渐增加，由于自身质量较小，随冷却风的流动而产生波动. 当通过散热器翅片管束时，由于流动面积变小，风速增大，冷却风对沙尘颗粒的作用力相应增大，沙尘颗粒与翅片管束间的相互作用更加剧烈.

图8 不同流速条件下沙粒分布

图9为不同粒径条件下沙粒分布. 粒径越小，单位时间内与换热面接触并产生碰撞的颗粒数量越多，颗粒与壁面的碰撞频率也就越大，相反，随着颗粒粒径的增大，单位时间内与换热面接触并产生碰撞的颗粒数量将会减少.

图9 不同粒径条件下沙粒分布

图10为不同沙尘浓度条件下的沙粒分布.随着沙尘浓度增大，沙尘颗粒在气固两相流中所占的比例不断提高，沙尘与换热面接触与碰撞的概率也就越大，也相当于增加了颗粒与壁面的碰撞频率.

图10 不同浓度条件沙粒分布

3.2 换热特性影响规律分析

3.2.1 不同流速对散热的影响

气侧换热系数随流速的变化曲线，如图11所示，气侧换热系数随着流速的增大而升高.这是由于随着流速增大，沙尘颗粒与壁面的碰撞频率提高而停留时间减小，在增强对边界层破坏效果的同时，风量的提高还可使边界层减薄和纯气流的传热系数增加，使气侧整体换热效果增强.

图11 气侧换热系数随流速的变化曲线

3.2.2 不同粒径沙尘颗粒对散热的影响

气侧换热系数随粒径的变化曲线，如图12所示，气侧换热系数随着粒径的增大而减小.这是由于随着颗粒粒径的增大，单位时间内与换热面接触并产生碰撞的颗粒数量将会减少，从而降低了对换热面边界层的破坏效果，降低了散热效果.

图12 气侧换热系数随粒径的变化曲线

3.2.3 不同浓度沙尘颗粒对散热的影响

气侧换热系数随浓度的变化曲线，如图13所示，气侧换热系数随着沙尘颗粒浓度的增大而升高.这是由于随着沙尘颗粒体积分数的增大，颗粒在气固两相流中所占比例相应提高，增加了颗粒与换热面接触与碰撞的概率，对换热面边界层的破坏效果增强，进而提高了散热效果.

图13 气侧换热系数随浓度的变化曲线

4 结 论

本研究搭建了沙尘环境下散热器热交换试验台，建立了散热器三维模型、流体域仿真模型，采用试验与仿真相结合的方法，研究了沙尘颗粒运动轨迹，分析了沙尘影响散热的机理，深入研究了气流速度、沙尘粒径、沙尘浓度等因素对装甲车辆散热器散热性能的影响，并得到如下结论：

1)随着含尘气体流速的增大，沙尘颗粒与壁面的碰撞频率提高，增强对边界层破坏效果，同时，还可使边界层减薄和纯气流的传热系数增加，使气侧整体换热效果增强，气侧换热系数增大；

2)随着颗粒粒径的增大，单位时间内与换热面接触并产生碰撞的颗粒数量会减少，降低了对换热面边界层的破坏效果，气侧换热系数减小；

3)随着沙尘浓度的增大，颗粒与换热面接触与碰撞概率增大，对换热面边界层的破坏效果增强，气侧换热系数升高.

研究为装甲车辆散热器优化设计提供了依据.