V型两缸柴油机匹配农机舱内温度场计算分析

陶丽芳 田入园 李德全 马小盼 谢小祥 秦炳爽

（安徽航瑞航空动力装备有限公司产品工程研究院 安徽 芜湖 241100）

引言

一般农用机械安装发动机的机舱没有太多的密封，吹风条件较好，但是因为其行驶速度非常缓慢，自然来流的冷却风速非常小。主要仍要依靠风扇吹风对机舱进行冷却。而风扇、机舱以及发动机热源的布置匹配直接影响了机舱内的散热与温度分布。

对发动机舱温度场开展仿真分析，提前预测高温危险并采取预防措施是道路车辆设计匹配时已经采用的成熟手段。但是对于非道路的农用机械依然参考竞品或经验值，很少运用先进的仿真手段提前模拟与优化。某V型两缸增压柴油机与某用于打药的农用机械进行动力匹配，运用商业流体软件，对布置了散热器中冷器风扇以及发动机的前舱开展流场与温度场仿真分析，对比了电子风扇与机械风扇对舱内吹风与散热的影响，并预测了2种风扇下可能出现的高温风险[1]。

1 理论基础

对于农用机械，机舱周围空气流动速度远低于声速，马赫数较低，可看做不可压缩粘性流场。而空气在舱内的流动因为舱内零部件外形结构的变化出现明显的分支，应做湍流处理。散热器、中冷器内部翅片数量非常多，且翅片排列均匀，将这2个部件当作多孔介质处理。风扇则用MRF（MovingReferenceFrame）模型模拟叶片的旋转导致的风速与风量增加[2]。

1.1 基本控制方程

控制方程包括连续性方程、动量守恒方程、能量守恒方程，湍动能方程和湍动能耗散率方程。这些控制方程的通用格式为：

式中：φ为通用变量，可以代表3个速度分量u、v、w，温度T，湍动能k或湍流耗散率ε等求解变量，Г为广义扩散系数，S为广义源项[3]。

标准k-ε模型只适用于湍流充分发展的高雷诺数湍流流动，对于低雷诺数的近壁区域，必须采用特殊的处理方式。文中采用了标准壁面函数法来求解近壁区内流动问题。

1.2 多孔介质与热辐射模型

多孔介质区域的流动近似为层流流动，根据Darcy定律[3]，气流流经催化器载体时产生的压降可表示为：

式中：Pi为惯性阻力系数；Pv为黏性阻力系数。不同散热器与中冷器有不同的Pi和Pv，可通过空气侧流动压降实验获得相应的数据。

热辐射模型选取了surface to surface radiation模型。发动机根据零部件的材料不同，分别设置不同的热辐射系数[4]。

2 农机机舱几何模型与计算模型

2.1 农机机舱几何模型

图1为V型两缸柴油机布置在农用机械舱内的模型，发动机安装在车身后面，两缸前后放置，冷却系统位置靠近发动机排气侧。风扇正对着排气歧管与增压器等热源部位。图1a为电子风扇方案，图1b为机械风扇方案。

图2为假定为多孔介质的散热器中冷器模型以及设置为MRF的风扇简化模型。图2a、图2b分别为电子风扇与机械风扇方案。机械风扇中冷器高度相对于电子风扇方案有所增加。

2.2 计算模型

图1 电子风扇与机械风扇舱内布置图

图2 散热器中冷器与风扇的简化模型

图3 为农机机舱的计算模型，为了模拟环境吹风情况，在机舱周围假定了一个大型的长方形盒子。除了离地间隙与真实情况接近，盒子前方、后方以及上方的距离与机舱足够远。这样，将盒子前方平面设置为进口，施加环境来流速度，盒子的后方平面设置为出口，假定为环境压力[5]。

图3 前舱计算模型

2.3 边界条件

计算农机机舱内的温度，一般选取较恶劣的环境吹风条件。本文假定环境风速为1m/s，环境温度为45℃。发动机在额定功率点运转，这时增压器与排气歧管等热源温度最高。增压器温度假定为550℃，排气歧管假定为500℃。排气管及消声器假定为300℃。增压器与排气歧管外围布置了隔热罩。在发动机额定功率工况，电子风扇的转速为2 450 r/min，机械风扇转速为4 000 r/min。中冷器与散热器的多孔介质参数如表1所示。

表1 散热器与中冷器多孔介质参数

3 舱内流场计算结果分析

电子风扇与机械风扇的整体流动基本相近，主要通过风扇的旋转进行吸风，因为中冷器、散热器与风扇并列布置，且间隙较小，吸入的风大部分都能经过中冷器与散热器进入风扇，进而进入舱内。图4为2方案通过风扇旋转轴的横向切片速度矢量图。风扇吹出的风并没有直接对着排气侧，而是通过发动机的上下两端空隙处流往发动机进气侧，直至流出机舱。部分气体由进气侧流回排气热源部位。电子风扇方案的风扇轴周边区域流速非常小。机械风扇方案连接风扇与曲轴的支架周边区域流速较小。整体而言，机械风扇的整体风速明显高于电子风扇。

图4 通过风扇旋转轴的横向切片速度矢量图

表2为2方案通过散热器、中冷器以及风扇的风量以及压力变化情况。机械风扇通过散热器、中冷器与风扇的风量接近电子风扇的3倍。从而使得机械风扇方案通过这3个部件的迎风风速整体较高，但是压损也会相应增大。不过机械方案散热器与中冷器的压损总体可接受。对于中冷器而言，电子风扇方案，中冷器高度较低，且离散热器的间隙较大，使得通过中冷器的冷风偏少。而电子风扇方案增加了中冷器的高度，减小了中冷器与散热器之间的间隙，这样中冷器与风扇的重合面积进一步加大，从而使得通过中冷器的风量比例加大。

表2 2方案通过冷却系统的吹风情况对比

4 舱内温度场计算结果分析

增压柴油机由于增压器、排气歧管以及排气管处温度均较高，排气侧周围的零部件受这几个热源部件的热辐射，导致温度也会相对较高。图5、图6为电子风扇与机械风扇方案在排气侧周围的温度场分布。对于电子风扇方案，高温区域出现在电子风扇的扇盘部位以及连接增压器压气机与中冷器的橡胶软管根部。扇盘部位温度高达230℃，橡胶软管根部温度也达到220℃。超过了2个部件的温度限值。对于机械风扇，高温区域只出现在连接曲轴与风扇的支架处，温度值为163℃，未超标，满足要求。可见，由于机械风扇吹风条件得到大大改善，排气侧的温度也整体降低，没有高温风险。V型2缸柴油机匹配在这台农机上，用机械风扇更合适。电子风扇会存在温度超标的风险。

图5 2方案排气侧温度场分布

图6 2方案高温区域对比

5 结论

对于农用机械，可参考道路车辆的匹配，在动力匹配阶段即开展舱内流场与运动场分析，预测冷却系统的流动情况，并预估潜在的高温风险，为方案选型与优化提供参考。

采用先进的计算机仿真技术对农机匹配进行模拟分析将是今后农机匹配的有效手段与趋势。