某两栖车辆动力舱冷却风道流场仿真分析

李成重 蒋 橙 肖 斌 唐 博 宋晓敏

冷却空气从进入车辆到从车内排出整个流程所掠过的腔道，被称为冷却风道[1]。在一般车辆上，冷却空气通常由进气格栅进入，穿过散热器和冷却风扇，然后流经发动机的外表面，直接排入到大气[2]。然而，在两栖车辆上，情况要复杂的多。本文所研究的两栖车辆，为了满足严格的涉水性能，冷却风道位于全封闭状态下的动力舱内，冷却系统设计不好将导致发动机过热，产生“开锅”现象。该两栖车辆在陆地上行驶时，其动力舱内的冷却不成问题；但当其在水中低速行进时，动力舱内的散热便成了棘手问题。

本文对该两栖车辆动力舱冷却风道进行研究，将其进气通道、散热器、风扇、发动机、车体等组成的散热系统作为一个整体，由高速旋转的风扇强制通风，借助计算流体动力学(CFD)技术对冷却风道内的流场进行仿真分析，研究出风口的布置对于散热通风的影响。

1 两栖车辆散热通风系统CFD计算方法

1.1 几何模型

建立动力舱内部数学模型时，适当简化对空气流动及散热影响不大的部件或几何尺寸较小部件[3]。针对进气通道等实体部件，则需按照实际几何拓扑关系，形成散热通风系统，动力舱冷却风道三维实体模型如图1所示。考虑外界环境对动力舱内气流流动的影响，需在动力舱外部建立一足够大空间[4,5]，建立25×10×10 m3的计算域，具体如图2所示。

1.2 控制方程

针对动力舱入口流量及舱内气流分布进行仿真分析，不考虑流体与外界的热交换，其流动控制方程式[6]如式(1)、(2)：

连续性方程：

动量守恒方程：

1.3 边界条件设置

固体区与流体区的物理性参数为常数，将空气密度设定为1.2014 kg/m3，为稳态流动状态，不考虑重力和温度的影响，并且将空气考虑为不可压缩；计算域的入口处为压力入口边界，压力设置为1个标准大气压；计算域出口处为压力出口边界，压力同样设置为1个标准大气压。考虑近壁区域分子粘性的影响，动力舱内部壁面采用壁面函数法边界，空气与固体壁面交界处的流动采用无滑移条件处理；对于风扇边界，基于准确的风扇数模，采用设定旋转参考坐标系的方法，将转速2600 r/min作为动量源加载到叶片转动所扫过区域的网格；对于散热器边界，采用的散热器为实际真实模型，故未将其简化为多孔介质模型。

1.4 网格划分

由于整个计算域较大，且各部位空气流动存在一定差异，所以采用不同疏密程度的网格对整个计算域进行网格划分。动力舱外部规则的计算域，采用尺寸较大的结构化网格进行离散；而针对动力舱结构复杂的内部区域，则采用小尺寸的非结构化网格实施离散。为确保计算的精确性，在动力舱周围采用2层加密，针对动力舱内部散热器、风扇等重要部位进行局部网格加密，生成的网格总数为172万个。

2 结果分析

对出风口位置分布进行研究，首先出风口1、2全开，作为方案A进行空气流动分析；其次分别关闭1、打开2作为方案B，打开1、关闭2作为方案C进行数值模拟分析，具体如图3所示。

2.1 方案A仿真结果及分析

图4为散热通道对称面处压力分布图。由图可知，负压主要集中在散热器及风扇等部位，而正压最大值位于与风扇出风口相距较近的发动机部件处。为了更详细地观察散热通道内部的压力分布，增加如图5、6的局部压力分布放大图。由图5、6中封闭的较小压力区域可推断，气流在图中黑点标示部位出现了不同程度的涡流区。

表1 各截面处的压力及速度

图7为散热通道对称面处速度矢量图。由图可知，气流被吸入进气通道，经过风扇的高速旋转充填至散热通道的各个角落，最后经驾驶室背面及车体上表面处的2出风口流出。从图中还可清晰的看出，在发动机上部、底部及后部小范围内均存在一定程度的涡流。气流在冷却风道内部涡流区停留时间较长，形成热量聚集，从而使得动力舱内部温度升高，对发动机散热产生不利影响。虽然发动机下部及后部涡流不易改善，但其上部靠近出风口1的部位，可以通过优化驾驶室底部来减少涡流区分布，使该部位的气流能顺利从驾驶室背部的出风口1处流出。

由表1可知，Ⅰ→Ⅱ进气通道阻力ΔP1，其值为189.4 Pa；Ⅱ→Ⅲ散热器阻力ΔP2，其值为248.6 Pa，冷却气流在穿过散热器前后两侧时，速度减少3.1 m/s；风扇前侧Ⅳ截面处负压显著，后侧Ⅴ截面与前侧压力差为1034.8 Pa；出风口1、2处的压力相当，其值分别为24.8 Pa和18.2 Pa，驾驶室背部出风口1处由于靠近风扇而具有较大的出风速度。

2.2 B、C2种方案下所得结果及分析

图9、10所示分别为方案B、C状态下，散热通道对称面处的速度矢量图。对比可知，方案B状态下，进风通道内速度矢量线分布较密，这表明在此状态下有较多气流被吸入动力舱内，更有利于发动机散热。

根据计算结果，统计出出风口3种方案下冷却空气流量值，结果参见表2。由表2可知，出风口1、2全开时，散热通道可通过的气流量数值最大，达到5.87 m3/s；当驾驶室背面出风口1被堵住时，散热通道可通过的气流量相对A方案减少6.1%；当车体上表面出风口2被堵住时，散热通道可通过的气流量则相对A方案减少14.1%，可吸入气流量减少较为显著。

表2 3种方案下空气流量

3 结论

(1)本文建立的两栖车辆动力舱三维数学模型，能够准确反映其内部空气流动状态。

(2)涡流区易形成热量聚集，对发动机散热存在一定的影响。

(3)出风口的位置分布对整个散热通道气流流量影响显著。

[1] 姚仲鹏,王新国.车辆冷却传热[M].北京:北京理工大学出版社, 2001.

[2] 韩恺,赵长禄,张付军.装甲车辆冷却风道的一维CFD仿真[J].车辆与动力技术,2010(1):46-50.

[3] 毕小平,刘西侠,赵以贤等.坦克动力舱内三维空气流动数值模拟[J].内燃机工程,2003,24(3):12-15.

[4] 黄小辉,毕小平.计算流体力学在车辆冷却风道设计中的应用[J].兵工学报,2008,29(11):1281-1285.

[5] 索文超,毕小平,吕良栋.履带车辆动力舱空气流场的CFD模拟与试验研究[J].装甲兵工程学院学报,2009,23(2):29-32.

[6] 王福军计算流体动力学分析——CFD软件原理与应用[M].北京：国防工业出版社，2004.