《厦门理工学院学报》  2021年第1期 8-15   出版日期:2021-02-28   ISSN:1673-4432   CN:35-1289/Z
装载机冷却系统流场均匀性的CFD分析


装载机冷却系统主要由冷却风扇、散热器组以及散热舱组成。冷却风扇强制空气流动,提高了冷却空气与散热器组的对流换热效率[1]。高转速的冷却风扇对上游流体产生强大的螺旋力,导致风扇上游来流不均匀性提高,从而降低了冷却风扇的对流换热效率[2]。由于空间限制,散热器组与冷却风扇之间的相对距离很小,流入散热舱内的空气容易发生滞流,加剧了冷却风扇尾流的不均匀性[3]。研究装载机冷却系统流场的均匀程度对于维持装载机动力系统的热平衡具有重要的意义。通过计算流体动力学(computational fluid dynamics,CFD)的方法可以准确地获取离散点的速度,方便与实验数据进行定量地比较。同时,CFD可视化技术可以快速地获取流体域内的压力分布和速度分布,定性地解释和说明流场均匀性的发展趋势。因此 CFD技术被广泛地应用于流场分析中[47]。在现有的研究中,常用的流场均匀性评价参数包括速度均匀性指数和速度变异系数[89],速度均匀性指数和速度变异系数通过比较离散点速度大小与流场平均速度大小偏离的程度来评价流场的均匀性。然而,流体质点的速度是一个具有大小和方向的矢量,流体质点速度或加速度方向变化导致的流动不均匀现象无法通过这两个流场均匀性评价参数加以解释。为此,本文引入旋转涡量占比的概念,对流场中流动复杂、流态差别大的区域进行涡识别和涡结构分解,并采用试验与CFD仿真相结合的方法对装载机冷却系统的流场均匀性进行分析,为装载机冷却系统的设计提供理论指导。 1参数选取及验证 11参数选取 111速度均匀性指数 速度均匀性指数[10]是由Weltens等在90年代初建立的一种流场均匀性评价标准。速度均匀性指数的表达式为 厦门理工学院学报2021年 第1期张宏伟,等:装载机冷却系统流场均匀性的CFD分析 γv=1-12n∑nj=1(vj-v)2v 。(1) 式(1)中:γv取[0,1],γv越大则流场均匀性越好,1表示理想状态下均匀流动,0表示流体仅从1个测点通过,这两种均为假设工况,实际并不存在;vj和v分别为第j个测点速度和测量截面上的平均速度;n为采样点个数。 112速度变异系数 速度变异系数是速度标准差和速度平均值的比值,反映了单位均值上的离散程度,也可以表征流场均匀性的改善程度。速度变异系数的CV表达式[11]为 CV=Sv×100% ,(2) S=1n-1∑nj=1(vj-v)2。(3) 式(2)中:S为速度的标准偏差;vj和v分别为第j个测点速度和采样点的平均速度;n为采样点个数。当CV>25%时,流场均匀性不合格;当20%<25%,流场均匀性合格;当15%><20%,流场均匀性良好;当cv><15%,流场均匀性优秀。 113旋转涡流占比[1213]="" 1988年,hunt等建议使用速度梯度张量v的第二伽利略不变量q(q="">0)代表涡的结构,Q包含了与变形相关的涡量成分,但不能直接表征涡旋的存在。2016年,Liu等提出Ω涡识别方法,Ω代表旋转涡量占总涡量的比例。 速度梯度张量V为 V=uxuyuzvxvyvzwxwywz 。(4) 式(4)中:u, v, w为流体质点在笛卡尔坐标系下的分速度。 根据式(4)进行CauchyStokes分解,则有 V=A+B ,(5) 式(5)中,A和B为速度梯度张量的对称部分和反对称部分,它们分别称为变形速率张量和转动速率张量,可以写成如下分量形式: A=ux12uy+vx12wx+uz12uy+vxvy12vz+wy12wx+uz12vz+wywz ,(6) B=0-12vx-uy12uz-wx12vx-uy0-12wy-vz-12uz-wx12wy-vz0 。(7) Ω表达式可以写为 Ω=B2A2+B2+ε 。(8) 式(8)中:代表矩阵的弗罗贝尼乌斯范数(Frobenius范数);ε是一个小的正数,为防止分母为极小值时误差极大。 式(8)中: A2=ux2+vy2+wz2+12uy+vx2+12wx+uz2+12vz+wy2 ,(9) B2=12vx-uy2+12uz-wx2+12wy-vz2,(10) ε=0001×(B2-A2)。(11) 当Ω>05时,转动速率张量B较变形速率张量A占优,Liu提出用Ω=052来判断涡的边界。 12参数验证 采用一个等截面正方形管道模型来验证流场均匀性评价参数的有效性。正方形边长为L,将管道截面的各边等分为n-1等分(n≥2),则采样点个数为n×n。每个采样点的坐标记为i-1n-1L,j-1n-1L,其中i,j表示采样点数,1≤i,j≤n。 图1不同数量采样点下流场均匀性评价参数对比 Fig1Comparison of flow field uniformity evaluation parameters at sampling points of different number假设一常密度流体在管道内做定常流动,速度分布满足u=y,v=x, w=x-y,则每个采样点速度为j-1n-1L, i-1n-1L,i-jn-1L。 为简化计算,取i=1、2、3、4、5、6。每种取值下的速度采样点个数不同,得到的流场均匀性评价参数也不同。由于速度变异系数与速度均匀性呈负相关,计算结果取“1-速度变异系数”。不同数量采样点下流场均匀性评价参数对比如图1所示。 由图1可知,随着采样点数目的增加,2种评价指标所表示的均匀性都趋于良好。当采样数取不同值的时候,速度均匀性指数的数值比较集中,而速度变异系数的变化更为明显。结果表明,随着采样点个数的增加,速度变异系数能更好地反映流场的速度分布状态。 由不同采样点下流场均匀性评价参数可知,当采样点数等于6时,CV=35%,矩形管道内的流场均匀性是不合格的。根据流场的速度分布情况,计算得到A2=3,B2=1,Ω=025<05。变形速率张量A较转动速率张量B占优,表明流场中流体质点的拉伸压缩和剪切变形是造成流场不均匀的主要原因。 2数值建模与仿真 21数值建模 采用雷诺平均纳维斯托克斯方程(RANS)结合Realizable KEpsilon湍流模型和精确壁面函数进行计算,压力、动量、湍流耗散率等均采用二阶迎风格式离散,装载机冷却系统的进出口压力为一个大气压[14]。装载机冷却系统流场的数学模型如下: 连续性方程: ·V=0 。(12) 动量方程: dVdt=-1ρP+μρ2V 。(13) 式(13)中:t为时间;ρ为流体的密度;P为压强;μ为流体的粘度系数。 为提高漩涡粘度的预测精度以及对扩散方程进行约束,采用Realizable KEpsilon(RKE)湍流模型。RKE模型对于旋流流动,强逆压梯度的边界层流动,流动分离和二次流的预测有更好的表现。带旋流修正的RKE模型的传输方程[1516]如下所示。 湍流动能k方程: t(ρk)+·(ρkV)=·μ+μtσεk+Pk-ρ(ε-ε0) 。(14) 湍流耗散率ε方程: t(ρε)+·(ρεV)=·μ+μtσεε+1TeCε1Pε-Cε2f2ρεTe-ε0T0。(15) 式(14)、(15)中:V为平均速度;μt为湍流涡粘度系数;σk=10;σε=12;Cε1=max043,Skε5+Skε;Cε2=19为模型系数;Pk、Pε为结果项;f2=kk+μερ为阻尼函数;Te=kε为大涡时间尺度。 在仅针对冷却系统流场的均匀性模拟中,不考虑散热器的对流换热。为提高解的收敛性,把散热器简化为无厚度面,采用多孔挡板边界条件处理。设备厂家提供的散热器压降为150 Pa,多孔介质的阻力系数通过式(16)[17]计算: Δp=12C2ρv2+μαv·Δn 。(16) 式(16)中:C2为惯性阻力系数;1/α为粘性阻力系数;Δn为多孔介质厚度;Δp为多孔介质的压降。 22仿真计算 装载机冷却系统的结构如图2(a)所示。冷却空气入口为宽490 mm、高1 022 mm、长1 622 mm的矩形管道,矩形管道的末端嵌入一块均流多孔板,均流多孔板的下游并排布置了2个冷却风扇,冷却风扇的下游通过1个宽378 mm、高734 mm、长49 mm的矩形腔体与散热器组(多孔介质缓冲界面)焊接在一起,散热器组的出口是装载机的冷却舱。 CFD计算结束后,分别对A、B和C截面上的离散点的速度进行采样。截面A选在距离多孔板上游250 mm处,截面A应避免受多孔板剪切流或冷却空气进口边界的干扰,所以截面A的位置应远离多孔板或冷却空气入口边界;截面B位于整流多孔板下游及冷却风扇上游,由于多孔板与冷却风扇之间相对距离很小,截面B的流场受小孔射流和风扇旋流的耦合作用,因此截面B选在多孔板和冷却风扇的中间位置;截面C位于冷却风扇下游及散热器上游,由于截面C受冷却风扇尾流和因散热器阻挡导致的空气回流的影响,所以截面C选在冷却风扇和散热器的中间位置。图2(b)为截面A、截面B和截面C位置示意图。 图2装载机冷却系统结构示意图和截面位置示意图 Fig2Loader cooling system structure and sections 合理地选择速度监测点可以减小平均速度误差,更加准确地计算流场均匀性评价参数。速度监测点的选取首先要保证监测点落在所关注的截面上,且这些监测点的速度能体现该截面上的速度分布状态。图3为截面A、B、C采样点的布置示意图和速度分布云图。 图3截面速度云图和采样点分布图 Fig3Velocity clouds of cross sections and distribution of monitoring points 获取各截面采样点的速度并计算流场均匀性评价参数。结果表明:截面A的γv=096,CV= 011< 015,说明冷却空气入口段流场均匀性优秀;截面B的γv=084,CV=037>025,截面B的流场均匀性不合格;截面C的γv=079,CV=037>025,截面C的流场均匀性不合格。比较截面A、截面B和截面C的速度均匀性指数,流场均匀性程度随冷却空气的流动路径逐渐降低,其中CV值变化明显,而γv值比较集中。通过比较CV和γv的相对大小,当γv>09(与CV<025相当),可以认为流场是均匀的。 流场均匀是指流场各处流量充足、均匀,且不发生流线相交和其他流场缺陷,如空穴现象、分离现象等[1819]。通过流场均匀性评价参数可以诊断流场的均匀程度,采用旋转涡量浓度分布云图可以分析流场不均匀的原因。 图4为x=0截面上的旋转涡量浓度分布云图。由图4可见,入口段主流区旋转涡的浓度基本为零,近壁区域由于边界层的影响出现部分旋转涡。流体通过多孔板后湍流强度增强,整流多孔板附近由于孔壁面边界层的剪切作用,会形成密集的剪切涡,但是在多孔板下游会迅速地衰减[20]。由于冷却入口管道与冷却风扇的空间布局限制,管道下部有较大的流动分离,进一步提高了流场中旋转涡量的占比。冷却风扇在高转速工况下,流体流经叶片表面脉动速度增强,在尾缘有持续的涡生成和涡脱落[2122]。 由于散热器的阻碍,冷却风扇下游空气不能顺利地排出,出现了流动停滞和回流。以上是截面B和截面C流动不均匀的原因。根据Liu的理论,可以用等值面Ω= 052的速度云图(见图5)来判断涡的边界。涡流在冷却风扇叶片之间加速流动,由于冷却风扇下游流体发生滞留和回流,两股流体进行动量交换导致冷却风扇叶片之间源源不断地出现二次流,进一步恶化了冷却风扇附近的流场。 图4中截面(x=0)旋转涡量浓度分布云图 Fig4Rotation vorticity concentration in section x=0图5等值面Ω=052的速度云图 Fig5Speed of isosurface Ω=052 图6为截取的5~8 m·s-1范围内冷却风扇附近流场的速度矢量图。图6中,红色虚线框内的流体受到散热器组的阻碍以及冷却风扇尾流的影响,下游流体质点的速度方向发生偏转并形成回流。 图6中截面(x=0)上5~8 m·s-1内冷却风扇附近流场速度矢量图 Fig6Speed vector diagram of section x=0 (part of cooling fan) within 5-8 m·s-1 3试验测试 采用热式风速仪对冷却风扇附近的流场进行速度采样。冷却风扇由上风扇和下风扇组成,以风扇的旋转中心为原点建立柱坐标系,速度采样点的坐标为A/A′(100 mm, 0°, 50 mm)、B/B′(100 mm, 90°, 50 mm)、C/C′(100 mm, 180°, 50 mm)、D/D′(100 mm, 270°, 50 mm)和O/O′(0 mm, 0 mm, 50 mm),采样点位于冷却风扇上游。冷却风扇及速度采样点如图7所示。 图8为采样点速度CFD计算值与试验测试值的对比。从图8中可见,不同采样点速度的试验数据和仿真数据吻合度很高,说明CFD模拟结果是准确的。 图7冷却风扇及速度采样点 Fig7Cooling fan and speed sampling points图8采样点速度CFD计算值和试验测试值对比 Fig8Comparison of CFD calculated values and test values of sampling points velocity 表1为根据采样点速度计算得到的流场均匀性评价参数的CFD值和试验测试值对比,两者计算结果差异很小,表明CFD的计算结果是可靠的。 表1流场均匀性评价参数对比 Table 1Flow field uniformity evaluation parameters 参数速度均匀性指数速度变异系数试验值08560353CFD计算值08470365差异率/%10-344结论 本文基于计算流体动力学和试验测试的方法对装载机冷却系统的流场均匀性进行了诊断,采用速度均匀性指数和速度变异系数对流场的均匀性进行定量计算,通过涡识别和涡结构分解的方法,对装载机冷却系统流场不均匀的原因进行定性分析。研究得出以下3点结论。 1)通过比较装载机散热舱同一截面的速度均匀性指数和速度变异系数发现,速度均匀性指数为09时的流场均匀性与速度变异系数为025时的流场均匀性程度相当,速度均匀性指数09可以作为诊断流场是否均匀的标准。 2)散热舱入口段流场均匀性优秀,冷却风扇上下游的流场均匀性不合格,且流场均匀性程度随冷却空气的流动路径逐渐降低。流场均匀性不合格是因为冷却风扇在高转速工况下流场内旋转涡量占比大,以及风扇下游散热器的阻碍导致了流体滞留和回流。 3)通过比较不同采样点速度大小和流场均匀性评价参数发现,CFD模拟结果与试验测试结果基本一致,说明CFD的计算结果是准确可靠的。