发电机组流场特性数值模拟及其散热优化研究

谭礼斌，袁越锦

（陕西科技大学机电工程学院，陕西 西安 710021）

发电机组作为常用的应急供电设备，通常适用于移动性舞台、学校、商场、信号基站及大数据中心等场合。随着技术的发展和工业技术的强大，发电机组的应用范围也越来越广泛[1]。依据高性能和轻量化的设计要求，发电机组整体结构紧凑。机组内部结构包含发动机、风扇、油箱、变频器、电机、点火器、起动器、散热器等零部件[2-5]。在狭小的封闭空间内，发电机组工作时机舱内部温度会很快升高，若内部部件不能得到及时冷却，会严重影响发电机组的运行功率，且会因为内部温度的升高，破坏零部件间的装配关系，加大部件间的摩擦磨损，从而导致机组停机卡死现象。因此，为了保证发电机组的有效运行，必须对发电机组整机流场进行全面分析和合理评估，保证发电机组具备较好的散热性能且能在安全工作内高效运转[6]。

目前，随着计算流体力学技术（computational fluid dynamics，CFD）的发展，采用虚拟仿真分析方法进行工程机械产品的设计与开发已得到学者们的日益关注[7-9]。张运峰[10]采用AMEsim 一维仿真工具搭建了柴油发电机组热管理系统分析模型，分析了各个零部件特性对热管理系统散热特性的影响规律，提出了系统改进措施，保证设备具有良好的散热性能。Xu等[11]采用CFD 软件对发电机组流场特性进行了数值模拟及优化，研究了吸声材料对散热的影响，为发电机组结构改进提供了参考。基于CFD 技术的数值模拟方法可快速获取整机内部流场分布信息，并针对性地进行流场优化，以提升产品性能。因此，本文基于CFD 基础理论，对发电机组整机流场进行数值模拟，分析各冷却风道风量分布情况，并采用单一变量控制方法进行发电机组冷却风量提升的研究，获取提升整机散热冷却风量的提升方案，为后续发电机组结构设计与改进提供参考。

1 物理模型

发电机组三维模型如图1所示。图中有3 个进风口和1 个出风口：机组前进风、机组左进风、机组右进风、机组后出风。采用CFD 分析软件STAR-CCM+11.06 中多面体网格和边界层网格技术对整机外流场计算域进行网格划分，获得如图2所示的整机外流场计算模型。该模型网格数量为1 200 万。该发电机组进行性能测试环境温度为28℃，运行时对应的风扇转速为3 600 r/min。图3为发电机组内各冷却风道截面示意图，用来监测各冷却风道风量值的大小，便于后续进行对比分析。

图1 整机三维模型图

图2 整机外流场计算模型

图3 冷却风道截面示意图

2 数学模型及边界条件

选取STAR-CCM+中的k-ε两方程湍流模型进行发电机组整机流场特性数值模拟。机组内气流流动假设为不可压缩的稳态流动状态，过程中不考虑温度变化，因此，相应的数学模型方程[12]如下。

1）连续性方程为

式中：u、v、w为速度分量，m/s；ρ为流体密度，kg/m3；Fx，Fy，Fz为体积力，N；μ为流体黏度系数，Pa·s；p是流体微元体上的压力，Pa；∇为拉普拉斯算子；t为时间，s；xi和xj为2 个方向坐标分量，m；ui为i方向速度分量，m/s；µt为涡流运动黏滞系数；k为湍动能，m2/s2；ε为湍动能耗散率，m2/s3；Gk为速度梯度产生的湍动能项；Gb为浮力产生的湍动能项；YM为膨胀耗散项；C1ε、C2ε、C3ε为经验常数；Prk，Prε分别为湍动能k和耗散率ε的湍流普朗特数；Sk和Sε为用户定义源项。

发电机组整体流场数值模拟计算中需要的边界条件设置如下：1）风扇旋转域旋转速度为3 600 r/min，采用MRF（moving reference frame）方法实现；2）流体计算域入口设置为滞止入口（stagnation inlet），出口边界为压力出口（pressure outlet），环境温度为28 ℃，流体属性选择为标准大气压下空气。

3 结果分析与讨论

3.1 风量分布分析

图4表示发电机组各冷却风道风量对比。从图中可以看出，风扇进风风量为40 g/s，总风量相比同等规格的机组风量较小（整机风扇入口冷却风量应在75 g/s 左右较宜[5]）。从风道风量分布来看，电机定子内外流道风量分别为12.5 g/s、21.7 g/s，风量较大，有可能是热风回流导致定子风量大，不利于定子的冷却。图5为发动机动力速度流线，用于查看电机处的回流。从图中可以看出，电机处部分进风来源于发动机的热风回流，这就是电机定子流道进风风量较大的原因。该热风回流现象可尝试添加隔风挡板进行消除。

图4 冷却风道风量分布对比

图5 电机热风回流现象

3.2 速度分布分析

图6—8分别为发动机表面速度分布、电机表面速度分布及变频器表面速度分布云图。从图6可以看出，发动机迎风侧表面速度分布较好，背风侧表面速度分布较差。从图7可以看出，电机背风侧表面速度大，其原因是热风回流至电机，风量大，从而速度大。热风不利于电机的冷却，需要对此处热风进行隔断。从图8可以看出，变频器正面的速度分布较合理，背面的速度较差，需要改善。从这3 个重要部件的表面速度分布来看，整机流场分布特性不合理，需要进行针对性地优化，以提升整机散热性能。

图6 发动机表面速度分布

图7 电机表面速度分布

图8 变频器表面速度分布

3.3 单一变量控制方法进行风量提升方案研究

为了探究进风结构、出风结构及隔热挡板等对整机流场特性的影响，现对该发电机组某一结构做单一改动，以判断其对整机流场特性的影响，为后续优化方案提供参考。图9为调整左右进风口形式示意图。发电机组原结构左右进风口格栅角度为90°，气流导向为垂直向上；调整后左右进风口格栅角度为80°，且格栅深度拉伸了2 mm，进风面积增加且气流导向比原状态平滑。图10为原结构和改进进风结构下的冷却风道风量对比。从图中可以看出，左、右进风结构的改变，主要影响了机组的风量分配，前进风减少，而左右进风增加，对总进风影响变化不大（风扇入口风量从40 g/s 到43.8 g/s）。

图9 调整机组左、右进风口形式

图10 冷却风道风量分布对比（改进风结构）

为了降低风扇前端进风阻力，调整了风扇拉盘（拉盘抬高10 mm）结构，如图11所示。图12为原结构和拉盘抬高10 mm 下的冷却风道风量对比。从图中可以看出，拉盘提高10 mm，机组进风量并没有得到较大提升（风扇入口风量从40 g/s 到41.6 g/s），可以判定进风阻力不是造成机组进风量小的原因。

图11 风扇拉盘抬高10 mm

图12 冷却风道风量分布对比（拉盘抬高10 mm）

为研究出风阻力对机组风量的影响，将出风格栅去掉，如图13所示，进行整机流场分析，得到图14的原结构和去掉格栅后的冷却风道风量对比。从图中可以看出，去掉格栅后风量增加不明显，说明影响机组出风阻力的关键不在于出风格栅。

图13 去掉出风格栅

图14 冷却风道风量分布对比（去掉出风格栅）

电机进风存在发动机的热风回流，因此需要考虑添加挡板隔断热风回流，如图15所示。图16为原结构和发动机添加隔热风挡板后的各冷却风道风量对比图。从图中可以看出，电机定子进风量大幅下降，且总进风量提升了10%左右，说明加挡板不但阻断了回流，而且可以增加机组进风量，后续将此改动在最终优化方案中体现。

图15 发动机加挡板（隔断热风回流）

图16 冷却风道风量分布对比（发动机加挡板）

3.4 优化方案及流场结果对比

为了提升发电机组总进风量，前述单一变量控制方法对单一结构对风量的影响进行了研究，结合前述研究可以看出，改进进风结构、去掉出风格栅（改出风阻力）和添加出风挡板对整机冷却风量都有提升，其中添加发动机挡板方案不仅隔断了热风回流且风量提升明显。结合单一因素控制方法研究结果，提出图17的发电机组结构改进组合方案。侧风口向下移动110 mm，右侧风口向上移动80 mm，左风口下移可兼顾油箱底部及点火器的散热，右风口上移可以中和机组腔内上升的热空气；消声器护罩出风口加大，正投影可看到发动机冷却风道，可以降低机组出风阻力；发动机添加隔板，隔断热风回流。图18为发电机组原结构和优化方案的各冷却风道风量对比。从图中可以看出：风扇进风量从40 g/s 提升至75.79 g/s，总风量提升明显；电机流道风量明显降低，原因是热风回流被挡板隔断，有利于电机的冷却。

图19为优化后的发动机表面速度分布。从图中可以看出，箱体加挡板区域表面风速分布略差，但箱体背部表面风速分布变好。图20为优化后的变频器表面速度分布。从图中可以看出，变频器表面速度都略有提升，有利于变频器的散热。图21—23分别为油箱、化油器、点火器表面速度对比。从图中可以看出，优化后油箱、化油器、点火器的表面速度都明显提升，有利于整机的散热。

图17 机组结构改进组合方案

图18 冷却风道风量分布对比（组合方案）

图19 优化后的发动机表面风速分布

图22 化油器表面速度分布

图23 点火器表面速度分布

图24为优化后的发电机组整机内部速度流线图。右进风口上移后，油箱、缸头盖、化油器等关键部件的散热均有所兼顾，且可以中和腔体内上升的热气流。左进风口下移后，油箱底部和侧面以及点火器等关键部件的散热同样有所兼顾。发电机组总进风量增加，机组内空气流速快，有利于发电机组的冷却，保障其高效正常地运行。

图24 优化后发电机组内部速度流线图

4 结论

1）采用CFD 软件STAR-CCM+对发电机组整机流场特性进行了数值模拟分析及结构优化研究，从整机流场分布来看，原结构风扇进风量为40 g/s，进风量较小，不利于整机冷却。发动机热风回流导致电机进风量较大，热风循环可能会导致电机温升大，不利于电机的冷却。

2）通过单一变量控制方法研究发电机组风量提升方案，得出改进进风结构、去掉出风格栅（改出风阻力）和添加出风挡板对整机冷却风量都有提升，其中添加发动机挡板方案不仅隔断了热风回流且风量提升最明显。

3）依据单一变量控制方法研究结果，提出了调整进风口布置、增大消声器护罩出口（减小出风阻力）和增加隔热挡板的组合改进方案。改进后整机风量提升至75.79 g/s，总风量提升明显；热风回流被隔热挡板充分隔断，电机热风循环减少，对电机的冷却有利；油箱、化油器、点火器的表面速度明显提升。发电机组总进风量增加，机组内空气流速快，有利于发电机组的冷却，可保障其高效正常地运行。研究结果可为发电机组结构设计与改进提供理论指导，从而快速锁定散热性能较优的发电机组样机模型。