多点测试在工程车辆冷却性能预测中的应用

王宝中，刘佳鑫，，邢梦龙，龙海洋，蒋炎坤，高玲焕

(1.华北理工大学机械工程学院，河北唐山 063009;2.华中科技大学能源与动力工程学院，湖北武汉 430074)

多点测试在工程车辆冷却性能预测中的应用

王宝中1，刘佳鑫1，2，邢梦龙1，龙海洋1，蒋炎坤2，高玲焕1

(1.华北理工大学机械工程学院，河北唐山 063009;2.华中科技大学能源与动力工程学院，湖北武汉 430074)

为了评估工程车辆各进气口空气流量对冷却性能的影响，采用16个测试点对国内某型号250马力推土机分区域测定空气流速，建立关于进气口比例系数的工程车辆冷却性能预测模型。结果表明:该预测模型可在一定误差内快速地获取动力舱的进气状态;确定进气口B和D处的空气流动效果相对较好，C和G处相对较差;结合-NTU法建立关于比例系数的冷却性能预测模型，实现对改进方案的有效评估。

多点测试;工程车辆;冷却性能;预测模型

试验有2种具体的实施方案，即通过测试散热器表面或者动力舱进口获取进气量，设备可采用多通道叶轮测速系统，如东京计装RF-2000风速测试仪［7-9］。然而，受诸多因素影响，许多中小企业并不具备该设备仪器，更为普遍的是单点手持测试设备。因此，如何利用手持设备实现对进气口空气状态的有效测量并评估其对冷却性能的影响，成为了行业内有待解决的问题之一。

本文针对国内某型号250马力推土机，采用多点测试的方法获取动力舱进气口处的空气状态，分析各进气口在进气量中所占比重，建立关于比例系数的冷却性能模型，实现对各进气口改进方案的有效评估。

1 试验方法和方案

1．1 试验样车

试验样车为国内某型号250马力推土机，如图1所示。其发动机采用184 kW涡轮增压6缸柴油机，额定转速为 2100 r·min－1，整车质量为 23800 kg，接地比压为 71．9 kPa。

图1 测试样车

1．2 试验工况

为了测试车辆进气状况，将试验工况设定为空挡原地油门全开。

1．3 试验设备

采用2种叶轮式风速风温仪测量进气状态，根据空气进口处的位置和状态，选择适当的设备分别测取数据，如图2所示。

图2 叶轮式风速风温仪

1．4 测试目标及测试点划分

试验样车共有7个进气口，分别命名为进气口A～G，具体分布如下:A、B位于动力舱右侧，D、E位于动力舱左侧，C、F、G位于动力舱顶部，如图3所示。

图3 动力舱空气入口示意图与命名

由于进气口的面积较大，使用手持设备单次测取的数值误差较大;因此，采用分区测试中心点的方法测取数值，然后计算平均值，从而获取进气速度。通过反复测试9点、16点和25点的数值差异，发现9点的误差略高，而25点的测试工作量较大，导致测取时间过长，误差反而有所增大。因此，本文选用16点的测试方式。16点测试具体实施方式如图4所示。

2 试验结果

对7个动力舱空气入口进行流速测试，将结果按照流速分颜色表达，颜色标尺见表1。

图4 进气口A的16个测试点位置

表1 流速颜色标尺

各进气口的流速分布云图如图5所示。由分布云图可知:各进气口最大流速出现在进气口F处，约为 4．7 m·s－1;最小流速出现在 A 处，约为 2．2 m·s－1。其中，进口A和进口E的流速值较低，这是由于它们的位置离风扇较远，空气流动阻力更高;进口B、D、F的平均流速较高，这同样与进口的位置相关。进气口A的右上部进气效果略好于左下部，这是由于发动机沉入动力舱中，其上部安装了消声器和空滤器，流动路径中的阻碍件较少，流动效果较好;而进气口B中右侧的流动效果好于左侧，这同样是受发动机安装位置的影响。上部的3个进口中，进口C的效果最差，这是由于该进气口附近安装了膨胀水箱，增大了进气阻力。

3 结果分析

结合试验结果计算平均流速，并换算流量，对各进气口流量所占比例分别进行计算，结果如表2所示。由结果可知，进气口所占比例从大到小依次为:B、D、E、A、F、C、G。进气口 B 是主要进口气，与进气口G相比，两者相差接近3.25倍。参考分析结果，以改善进气、增强冷却性能为目标，可以考虑对进气口G和C进行改进，合理规划内部结构和部件布置。为进一步建立冷却性能预测模型，将各比例系数分别命名为 k1、k2、k3、k4、k5、k6、k7。

4 关于比例系数的冷却性能预测模型

图5 各进气口的流速分布云图

表2 各空气进口的平均流速与比例系数

通过对多点测试结果的分析，可以明确该机型的主要进气口和改进的方向;进一步通过比例系数的代入，可以预估各进气口空气流量对其性能的影响［10-11］。因此，在忽略舱外回流的前提下，本文以效能-传热单元数方法为基础，建立带有比例系数的性能预估模型。该过程主要是通过计算冷却介质空气流量实现的，具体计算式如下。

冷空气质量流率

式中:i=1，2，…，7;wL、hL分别为散热器的宽和高;vc为迎面风速;ρc为空气密度。

冷空气质量流速

式中:Amc为散热器冷侧最小流通面积。普朗克常数

式中:λc为导热系数;Cpc为冷空气比定压热容;ηc为动力黏度。

换热系数

式中:jc为Colburn因子。散热器的总传热系数

式中:Ac、Ah分别为冷、热侧换热面积;ηall-c、ηall-h为冷、热侧总换热效率;Rw为隔板热阻;hc、hh分别为冷、热侧换热系数。

换热量与出口温度的计算具体如下［12-15］。

散热器效能

其中，传热单元数

式中:mh为热空气质量流率;Cph为热空气比定压热容。

总换热量

式中:Tin-h为热空气进口温度;Tin-c为冷空气进口温度。

冷热流体出口温度

冷热流体侧压力损失

式中:m为冷热流体质量流率(即mc或mh);Kc、Ke分别为入口与出口压力损失系数;σ为孔隙率;hd为水力直径;Lt为流动长度;f为Fanning因子。

5 结语

本文以国内某型号250马力推土机为依托，将其柴油机动力舱各进气口划分为16个面积相等的截面，测取中心点流速，利用获取的流速数值绘制速度云图;计算各进气口处的空气流量相对于总流量值的百分比，确定所占比例系数，明确各进气口处空气流量所占比重;最后，将比例系数代入效能-传热单元数法中，建立关于比例系数的冷却性能预估模型。基于以上工作，得到结论如下。

(1)相对于9点、25点，16点的测试方式在工作量和测试误差之间具有相对较好的平衡性，具备一定的应用价值。

(2)动力舱进气口的空气流量受舱内发动机等部件影响较为明显，动力舱进气口路径上应尽量避免设置部件，同时进气口应尽量接近于散热器和风扇所组成的冷却系统;对于本文研究的机型而言，进气口B和E效果较好，受膨胀水箱影响的进气口G效果较差。

(3)通过将比例系数代入效能-传热单元数法，建立关于比例系数的冷却性能预测模型，可有效实现对进气口改进效果的评估。

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Application of Multi-point Test in Prediction of Cooling Performance of Engineering Vehicles

WANG Bao-zhong1，LIU Jia-xin1，2，XING Meng-long1，LONG Hai-yang1，JIANG Yan-kun2，GAO Ling-huan1
(1．School of Mechanical Engineering，North China University of Science and Technology，Tangshan 063009，Hebei，China;2．School of Energy and Power Engineering，Huazhong University of Science and Technology，Wuhan 430074，Hubei，China)

In order to evaluate the effect of air flow from the inlet on the cooling performance of the engineering vehicles，16 test points were chosen and divided to measure the air flow rate in a domestic 250 hp bulldozer，the prediction model for the cooling performance of engineering vehicle was established based on the proportional coefficient of the air inlet．The results show that the intake state of the power tank can be quickly obtained within a certain error;it is confirmed that the air inlet B and D have a better air flow than air inlet C and G，which show relatively poor results;based on the-NTU method and the proportional coefficient，a prediction model that would improve the effectiveness of the assessment was developed to evaluate the cooling performance．

multi-point test;engineering vehicle;cooling performance;prediction model

U415．51

B

1000-033X(2017)09-0111-05

0 引 言

随着国家经济建设的逐步展开，以柴油机为动力源的工程车辆在建设中发挥着越来越重要的作用。作为柴油机的冷却系统，其主要作用是保持活塞缸的工作温度在合理范围之内，并将系统多余的热量排到周围环境之中。

空气的进气状态对冷却系统性能影响较大，在产品的实际设计中，想要从进气上提升产品的冷却性能，则必须确定动力舱各进气口处的空气状态及其发挥的作用。目前，对于这方面的研究主要有数值分析和试验2种方式。随着CFD(Computational Fluid Dynamics)软件逐步得到应用，数值分析更多地被应用于动力舱内的冷却系统性能研究中。在国内，浙江大学的余小莉教授［1］、吉林大学秦四成教授［2］、装甲兵工程学院毕小平教授［3］以及中科院工程热物理研究所、西安交通大学和华中科技大学等人员和机构均通过不同方式对动力航冷却系统性能进行过研究;国外的学者也展开了相关研究，Timothy将一维数值计算和三维仿真相结合，提出对冷却性能的预估方法［4］;Mao则应用三维模拟对非公路重载车辆的动力舱内流场和散热器工作性能进行了分析［5-6］。

2017-03-17

2016年湖北省技术创新专项(重大项目)(2016AAA045);唐山市重点电动车实验室建设项目(12130201A-2)

王宝中(1966-)，男，河北唐山人，副教授，硕士，研究方向为机械学。

［责任编辑:高 甜］