基于CFD的风扇位置对柴油发电机组散热影响研究

姬朋辉

摘要：在柴油发电机组开发设计中，应用STAR-CCM+商用流体力学软件分析了某型号发电机组风扇安装位置对散热器进风量与进风速度的影响，研究得出：风扇距散热器的距离对散热器散热能力影响显著，在一定范围内随着风扇与散热器距离增大，经过散热器的风量增加;风扇与发动机机体间的距离对风量的影响较小。

关键词：发电机组;STAR-CCM+;风扇位置;散热性能

中图分类号：U464.138+.4                              文献标识码：A                                文章编号：1674-957X（2020）22-0021-02

0  引言

随着我国经济的高速发展，工业用电量急剧攀升，柴油发电机组这一结構简单、使用方便的电力供应产品成为了常用或应急电源的理想选择。在邮电、机场、医院、银行等场所发挥着不可替代的作用。柴油发电机由于结构紧凑，运行负荷率高，对发动机稳定性要求高，因此发电机组的热管理就尤为重要。本文使用商用CFD软件STAR-CCM+对不同的风扇安装位置进行了模拟，分析散热器在不同条件下的进风量及速度分布，以期确定最优的风扇安装位置。

影响冷却系统散热性能的风扇安装参数分为四类分别为：风扇与发动机体的距离;风扇与散热器距离;风扇伸入护风罩距离;风扇与护封罩径向间隙。一般风扇厂家根据护风罩的类型对风扇伸入护风罩距离有个最佳的推荐值，为保证风扇运行后与护封圈不出现干涉，在风扇装配中与护风圈的径向间隙基本也已确定。鉴于此，本文重点研究了风扇与发动机体的距离和风扇与散热器距离两个变量对散热性能的影响。

1  数值计算方案

1.1 数值计算方程

发电机组周围流场空气流动速度较小，密度几无变化，因此可作为三维不可压缩流场进行求解。对不可压缩牛顿粘性流动满足连续性方程和动量守恒方程：

本次计算湍流模型选择标准k-ε湍流模型，采用一阶迎风格式进行空间离散，采用SIMPLE压力修正算法进行耦合迭代。

1.2 计算域的设置

如图1示，该柴油发电机组由发动机、发电机、风扇、散热器，挡风罩及连接管路等零部件构成。该发电机组采用风扇吹风冷却方式，即低温空气先冷却发电机、发动机后经过风扇、散热器排出。考虑到本型号发电机组工作场所大多数处于室内，因此设置计算域总成为5倍机组长度，宽度为1.5倍机组长度。本机组风扇直径为450mm，额定转速2115rpm。

本文网格采用STAR-CCM+独有的切割体网格进行划分，在发动机周围及风扇周围进行局部网格细化加密，以更好的捕捉空气流场细节。风扇旋转域采用动网格技术进行模拟，风扇旋转域与周围静止流体域创建交界面以保证旋转域与周围静止流体域的能量与质量交换。散热器芯体采用多空介质模型，该模型可通过设置三个方向的惯性阻尼系数和粘性阻尼系数来实现通过多空介质后流体的压降及流动特性[1]。

2  风扇距机体位置对机组散热能力影响

2.1 研究方案

由于发动机前端轮系与零部件众多，为保证风扇与发动机间不存在干涉，风扇与发动机存在一个最小安装间距。本文从最小安装间距开始计算，限于风扇轴强度与振动原因，依次增加20mm、40mm、60mm，共计4个距离，在计算完成后取散热器端面上的平均风速与流量进行比较分析。

2.2 计算结果

为排除网格等计算因素影响，4种计算方案网格尺寸、物理模型、边界条件保持一致。计算结果显示，在本文计算设置范围内，加大风扇与机体距离，流经散热器风速和流量有轻微增加，但幅度非常小。可以认为，风扇与机体间距离，对机组散热性能没有影响。

图2-图5显示了风扇在不同位置处散热器端面的速度云图，同样可以看出风扇在不同位置时，速度云图几乎没有发生变化，即流经散热器的风量与风速都没有发生变化，因此机组的散热性能也没有明显变化。

3  风扇距散热器位置对机组散热能力的影响

3.1 研究方案

风扇距散热器间的距离受限因素较少，实际安装过程中改变风扇与散热器间的距离也比较容易操作，因此研究风扇与散热器间距离对机组散热器能力的影响更具现实指导意义。本文从最小安装间距开始计算，水箱依次后移50mm、100mm、200mm、300mm、400mm，共计6种计算方案。在完成计算后取散热器端面上的平均风速与流量进行比较分析。

3.2 计算结果

为排除网格等计算因素影响，6种计算方案网格尺寸、物理模型、边界条件保持一致。计算结果显示随着水箱的后移，风扇端面的平均风速、流量呈增大趋势，且存在一个拐点，本机型的拐点为原水箱位置后移200mm左右。同时可以发现在后移50mm其散热器表面平均风速与流量增长的幅度最大，后面增长的幅度逐渐变小。（表2）

通过各位置处散热器端面速度云图可以更直观显示出不同位置散热器的速度分布变化。散热器处在原位置其端面在左上、右下及中间位置存在明显的逆风回流现象，且高速风区分布集中;随着散热器与风扇距离加大，逆风回流区域逐渐减小当散热器后移200mm时左上、右下区域逆风回流现象消失，高速风区分布逐渐均匀。散热器继续后移300mm、400mm，高速风区分布愈加均匀，中间位置回流区域也在减小，但随着距离的增加，风速出现下降，因此流经散热器的流量开始变小，散热性能降低。（图6-图11）

4  总结

本文通过CFD技术对发电机组风扇安装位置对散热性能的影响进行了研究，其中风扇与机体位置设置4个方案，风扇与散热器位置设置6个方案，通过计算分析得出以下结论：①在风扇与散热器位置一定时，加大风扇与机体间距离对散热器表面的风速和流量影响很小;②在风扇与机体位置一定时，加大风扇与散热器间距离，流经散热器表面的风速和流量都有比较明显的增大，且增大趋势存在一个拐点，即大于一定距离后风速和流量开始出现下降;③对本文计算机型，建议维持风扇与机体位置并适当增加风扇与散热器间的距离。

参考文献：

[1]常贺.某车辆热管理系统开发研究[D].吉林大学，2014.