全地面起重机冷却系统空气流场仿真分析

全地面起重机的发动机舱内部结构的复杂程度,决定了传统的工程装备设计过程很难对其发动机舱内外的流动以及散热过程同时进行试验分析。现在,具有使用范围广,限制条件少、获得信息详实、周期短、成本低等显著特点,并且可以得到大量目前试验难以获得和解释信息的计算流体动力学(CFD),随计算机技术的发展而再次兴起。利用计算流体力学相关的成熟理论和软件分析全地面起重机发动机舱内外流动和散热已经成为一种有效的方法和手段。 本文所研究的某型全地面起重机发动机冷却系统在实际使用中未能达到前期设计要求,出现了发动机冷却水进水温度和进气温度偏高的现象,散热器和中冷器没能发挥预期的散热效果。针对冷却系统散热效果不佳的问题,本文探讨了影响发动机舱内外流动和换热可能的因素,最终提出了对发动机冷却系统可行的改进方案。 本文主要的研究成果包括： 1)阐述了传热学的相关研究内容,详细介绍了流动与传热数值模拟的方法与步骤,并介绍了数值求解过程中涉及到的离散方法和方程求解,为后文的分析和研究做了理论上的铺垫。 2)建立了某型全地面起重机的冷却系统空气流场的简化模型,利用网格构造方法对模型进行了网格划分和加密处理。利用相关实验数据定义了仿真计算的定解条件和相关物性参数,根据实验数据和经验公式对散热器模块、风扇模型和发动机舱盖等模型参数进行了公式拟合,获得了这些模型的仿真参数。 3)为了验证仿真程序的正确性,建立了冷却系统简化模型,根据实验数据设置各个参数,确定了求解控制条件和收敛标准,然后通过对仿真结果进行分析并与实验结果对比。结果显示,仿真结果与实验值和理论计算值相对比,它们之间的差异在允许范围内,本文所采用的理论和仿真方法是可靠可信的。 4)首先对建立的某型全地面起重机的冷却系统空气流场的简化模型进行了仿真计算,详细解析了流场的速度、温度和各通道流量分布情况,获悉了散热器模块外部冷却空气换热的分布规律。为了更好地获取内外耦合流场中的冷却系统的散热效能影响因素,本文又探讨了环境温度、风扇转速和车速对整车模型与散热器模块的作用机理。随着环境温度降低,最显著的效果是散热器模块内冷却流体出口温度降低；随着风扇转速的升高,散热器模块的冷却空气流量增加,换热功率也随之增加；当车速较快时,由底部流入发动机舱内的冷却空气速度较快,对流换热现象更加明显,但热回流也有增强。 5)发动机舱盖对冷却空气流动的通畅程度、冷却空气进入发动机舱后与舱内热回流空气的混合程度、散热器冷却空气入口温度分布以及发动机舱内的热回流的影响巨大,而这些因素又直接决定了发动机冷却系统的散热能力,特别是散热器模块的换热效能。随着散热器模块前方间距的增加,散热器模块的换热功率随之增加,当间距增加较大后,换热功率并没有明显增加。最后的改进方案是在发动机舱盖的顶部和两侧增加了开口,并增大了一定散热器模块前方间距,仿真结果显示,该方案优化了发动机舱内空气流动状况,改善了散热器模块散热效果,提高冷却系统的换热性能。