电磁式发动机水冷系统流固耦合传热研究

2021-07-13张瑞宾莫德赟刘晓刚

工程设计学报 2021年3期

张云，张瑞宾,2，莫德赟，刘晓刚

（1.桂林航天工业学院汽车与交通工程学院，广西桂林 541004；2.长安大学汽车学院，陕西西安 710064）

电磁式发动机是一种新型发动机，具有结构简单、性能可靠等优点。电磁线圈是其核心部件。电磁线圈的温度过高会导致其内阻过大，以致发动机的工作效率降低。电磁线圈内部的散热性较差，处于中心位置的导线相对于外部更容易被熔断。因此，电磁线圈水冷系统的优化设计是提高发动机性能的重要手段。电磁式发动机的散热主要通过冷媒换热，即：冷却液进入水冷系统与电磁线圈表面进行热交换，水流带走电磁线圈表面的热量而使电磁线圈冷却。

流固耦合的方法已在电机和发动机水冷系统的的设计中得到广泛应用。李青青等［1］针对电机系统内部热交换情况，根据流固耦合理论，获得了电机整机及关键部件的温度场分布。王晓远等［2-3］以电机机壳的水冷结构为研究对象，比较了3种不同水路的冷却效果，通过流固耦合分析得到了高功率密度电机的温度分布。张强等［4］根据流固耦合理论推导出换热管固体域、管内流体域的界面温度和热流密度的迭代格式和收敛判别方法。佟文明等［5］基于计算流体动力学以及数值传热学理论，利用有限体积法得到了电机水冷系统的温度分布和冷却液的流速、流阻。田玉冬等［6］以车用电机为研究对象，采用有限体积法，根据计算流体动力学求得了电机的温度场分布及其冷却水路内流体的流动特性。梁炳南等［7］以钢质液箱为研究对象，运用有限元分析软件ADINA（automatic dynamic incremental nonlinear analysis，自动动态增量非线性分析）对液箱在不同约束条件下的流固耦合现象进行分析。梁培鑫等［8］综合考虑了电机冷却水路的散热效果及其对外部散热器和泵体结构的影响，给出了基于电机长径比的电机冷却水路的选择方法。钱洪［9］对高功率密度电机的轴向水冷系统和螺旋水冷系统的特点进行了分析和比较，提出了电机水冷系统的选用方法。李建成等［10］基于流体力学和电机传热理论设计了矿用隔爆型电机的水冷结构，编写了计算温升的程序。赵永强等［11-14］将泵内流场和螺杆的结构进行耦合分析，得到在不同工况下螺杆的变形和应力分布规律。吴波等［15］利用CFD（computational fluid dynamics，计算流体动力学）软件的流固耦合计算功能进行制动盘的瞬态传热数值计算，得到了流固耦合系统的温度场。笔者采用Fluent流体仿真软件，结合有限元方法，构建电磁式发动机水冷系统流固耦合模型，以获取水冷系统流场和温度场的分布信息，并通过实验来验证该水冷系统的传热性能。

1 水冷系统流固耦合传热的数学模型

流固耦合是指流场与固场通过媒介交换耦合信息，并进行场间的交叉迭代。可分为单向和双向两种流固耦合类型。电磁式发动机水冷系统的冷却水套在冷却液作用下发生的形变量很小，即流场的边界形貌由固体变形导致的改变很小，固体变形不影响流场分布，因此本研究属于单向流固耦合的范畴。

电磁式发动机水冷系统内冷却液的流动和换热遵循能量守恒、质量守恒、动量守恒三大定律，冷却水套稳态温度场的导热遵循拉普拉斯方程。其基本方程如下［16］：

式中：ρ为流体密度；φ为广义变量；u为速度；Γ为相对于φ的广义扩散系数；s为动量方程源相；T为固体的温度；t为时间。

电磁式发动机水冷系统流固耦合传热的数学模型如下［17］：

式中：Δp为冷却液沿程的阻力损失；f为冷却液的压力损失系数；vAmin为水冷系统中最小流通面积的液体速度；ki和ko分别为冷却液进口和出口处的压力损失因数；σ为水冷系统的最小流通率；vi和vo分别为冷却液进口和出口处的速度；vm为冷却液的平均速度；a为冷却液与冷却水套间的摩擦因数；A为冷却系统的散热面积；Ac为冷却系统最小流通面的面积；Re为雷诺数。

2 水冷系统流固耦合传热仿真分析

流固耦合场的仿真分析要求仿真软件具有在统一的界面和数据库下同时模拟和分析多种耦合现象的功能。基于流固耦合模块，利用有限元仿真软件进行流固耦合分析。流固耦合仿真分析的流程如图1所示。

图1 流固耦合仿真分析的流程Fig.1 Flow of fluid-solid coupling simulation analysis

2.1 流固耦合模型的建立

利用UG（Unigraphics）软件建立电磁式发动机结构模型。电磁式发动机的结构如图2所示，其由电磁线圈、活塞、连杆、冷却水套和传动总成等组成。电磁线圈与蓄电池组连接。活塞与电磁线圈的中心滑槽同轴设置，一端与连杆的一端转动连接。连杆的另一端与发动机主体连接，并驱动发动机主体运转。冷却水套内设有环形间隙槽（位于水套内外壁之间中空处），一侧设有冷却液进口，另一侧设有冷却液出口。

电磁式发动机水冷系统如图3所示。冷却液经过水泵加压后，通过进水口进入水冷系统内部的管道，与发动机的电磁线圈进行热交换后温度急剧升高，在水冷系统内部与空气进行热交换后从出水口流回水箱。冷却水套的材料为铝合金。铝合金属于逆磁性材料，在外磁场的作用下产生的合磁矩很小，磁旋涡产生的热量很小。铝合金的磁导率约为1.000 22。

2.2 流固耦合模型的网格划分

2.2.1 固场网格划分

图2 电磁式发动机的结构Fig.2 Structure of electromagnetic engine

图3 电磁式发动机水冷系统示意图Fig.3 Schematic diagram of water cooling system of electromagnetic engine

采用hypermesh软件划分固场网格，便于网格优化。在进行网格划分之前，须对模型进行几何清理和几何划分，进行人工优化。网格划分之后，采用quality index检查网格，通过cleanup tools进行优化。固场网格划分如图4所示。从图可知，网格分布均匀且没有出现网格不合格的情况，网格质量理想。

图4 流固耦合模型固场网格划分Fig.4 Grid division of solid field in fluid-solid coupling model

2.2.2 流场网格划分

采用四面体网格进行流场网格划分，如图5 所示。在冷却液进出口处进行网格加密，以提高计算的准确性。流体场网格划分时，如果局部网格过小，可能导致最终不收敛，甚至导致分析结果不正确，因此在水冷系统内壁面没有出现过小的网格。

图5 流固耦合模型流场网格划分Fig.5 Grid division of fluid field in fluid-solid coupling model

2.3 流场分布仿真分析

由费里德曼-赫姆霍滋方程可知［18］，在高速流体中出现卡门涡流极具随机性。当仿真时间t=8 h时，水冷系统温升趋于稳定状态，此时冷却液流速分布如图6所示。由图可知，水冷系统进、出口处的流速均约为1.7×104mm/s，比其他部位大很多，出现了层流分离。水流在高速时，不可避免地会出现紊流，进而演变成漩涡。在大的漩涡作用下，水冷系统如果存在死角区域，则死角区域进而会演变成死区。死角区域内流体的流速近似为0 mm/s，不利于热交换。同时，由于与高速流体的流速相差非常大，根据层流理论，死角区域内的流体会使周围流体的运动阻力加大，流速变小。

图6 冷却液流速分布（t=8 h）Fig.6 Coolant flow rate distribution（t=8 h）

当t=8 h 时，冷却液流经区域如图7 所示。冷却水由进水口流入，水冷系统的大部分区域成为无流区，导致其热量整体分布不均匀。采用导热性较好的铝合金可以提高无流区局部散热能力，且电磁线圈极限温度不高，因此可以满足设计要求。

2.4 温度场分布仿真分析

当t=8 h 时，水冷系统内表面的温度云图如图8所示。水冷系统内表面与电磁线圈接触，其温度与水流的流速相关。流速快时，水流带走的热量较多；流速慢的区域的温度约为75.4 ℃，这个高温区与死角区域的位置一致。

图7 冷却液流经区域（t=8 h）Fig.7 Coolant flow through area（t=8 h）

图8 水冷系统内表面的温度云图（t=8 h）Fig.8 Temperature nephogram of inner surface of water cooling system（t=8 h）

当t=8 h 时，水冷系统外表面的温度云图如图9所示。水冷系统进水口处的温度约为27.3 ℃，出水口处的温度为约43.7 ℃。进出口采用对角设置，使得热量吸收较均匀。

图9 水冷系统外表面的温度云图（t=8 h）Fig.9 Temperature nephogram of external surface of water cooling system（t=8 h）

3 实验验证

为了验证电磁发动机水冷系统换热性能仿真结果的正确性，进行水冷系统冷却实验。实验装置如图10所示，主要由温度传感器、流速控制器和测试计算机等组成。其中：温度传感器分别置于冷却液进出口处和电磁线圈内部；流速控制器用于调节冷却液的流速大小；测试计算机用于实时处理所采集的数据。根据QC/T 413—2002《汽车电气设备基础技术条件》中的规定进行电磁线圈的温升实验。实验室环境温度为26 ℃，设定冷却液流速为1.7×104mm/s，电磁线圈通电连续工作8 h后达到稳定的温升，且30 min内温度上升值不大于1 ℃。测量水冷系统各关键部位的温度，测得进水口处的温度为26.4 ℃，出水口处的最高温度为46.7 ℃，说明设计的水冷系统具有较好的传热降温作用。