装载机冷却风扇的气动性能与气动噪声改造

摘 要

　　对外“一带一路”、对内供给侧结构性改革等有利政策的实施大大拓宽了工程机械产品的销售市场，国内外日趋严格的污染物排放法规促使相关企业加快了产品更新换代的步伐。工程机械本身工作环境恶劣、作业车速低、热源系统数量多、尾气中污染物密度高，加之大功率发动机的使用对整车冷却系统提出更高要求。因此，通过设计开发高效冷却系统及其散热模块来提升整车热管理水平，提高整车燃油经济性和动力性、降低污染物排放量成为目前工程机械整车热管理领域的研究热点之一。本文结合“面向节能与安全的集成智能化工程机械装备研发”

　　国家科技支撑计划项目，以搭载双循环冷却系统的装载机为研究对象，采用数值仿真与试验相结合的研究方法，对典型工况下的新型散热模块总成的流场特性、传热特性以及冷却风扇的气动性能与气动噪声等进行了分析与改进，为工程实践提供了指导。全文的主要研究内容包括以下几个方面：

　　首先，对计算流体动力学（CFD）仿真技术理论基础、双循环冷却系统构成与工作原理进行简介，建立了搭载双循环冷却系统散热模块的某 50 型装载机虚拟风洞仿真模型，根据双循环冷却系统散热模块设计参数与试验车辆散热需求确定Fluent 数值模拟边界条件与求解方法，研究分析了装载机动力舱内环境（尤其是散热模块部分）空气侧速度场与温度场分布特征。

　　其次，通过装载机整车热平衡试验验证了虚拟风洞仿真模型计算结果的准确性，并采用 CFD 软件预测了海拔高度对散热模块传热性能的影响。进一步，研究了冷却风扇与散热器安装间距、风扇形式与后置安装、低温冷却回路散热器冷却液流动路径等对新型散热模块性能的影响，为产品在工程上的性能优化提供了指导。

　　再次，建立冷却风扇性能仿真模型，通过圆弧弯板风扇仿真数据与试验数据对比验证了仿真方法的可靠性。根据新型散热器流量-压力损失特性，依照孤立翼型法与变环量参数设计法设计了一款基于 CLARKy 翼型曲线的冷却风扇，采用CFD 仿真技术对 CLARKy 翼型冷却风扇的气动性能和气动噪声性能进行了预测，仿真结果表明 CLARKy 翼型风扇全压、静压、静压效率随流量的变化趋势与圆弧弯板风扇整体变化趋势具有一致性。在气动性能方面，当空气流量小于 9.11 m3/s时，CLARKy 翼型风扇静压效率高于圆弧弯板风扇，但随着流量的增加二者差值变小；在气动噪声方面，转速为 2000r/min 时 CLARKy 总声压级为 95.15dB,较圆弧弯板风扇降低 3.42%。

　　最后，对于 CLARKy 翼型风扇，分别研究了叶片夹角不等距分布、分流叶片以及叶顶圆环等结构对风扇气动性能与气动噪声的影响，为风扇性能优化提供了参考。建立 4 组基于不同翼型风扇的散热模块三维模型，CFD 仿真结果表明 4组散热模块都不同程度的提升了动力舱后部格栅出口空气流速均匀性。

　　关键词：双循环冷却系统，CFD, 散热模块，冷却风扇，气动噪声

ABSTRACT

　　The implementation of favorable policies such as the “One Belt and One Road” in the international market and the structural reform of the domestic supply side has greatly broadened the sales market for construction machinery products. In addition, increasingly stringent pollutant emission regulations at home and abroad have prompted related companies to accelerate the pace of product replacement. In addition to the harsh working environment, low operating speed, large number of heat source systems, and high pollutant concentrations in the exhaust gas, high-power engines impose higher requirements on the cooling capacity of the vehicle's cooling system for construction machinery. Therefore, it is one of the research hotspots in the field of engineering machinery thermal management by designing and developing an efficient cooling system and cooling module to improve the thermal management level of the vehicle, enhancing the fuel economy and power of the vehicle, and reducing the emission of pollutants. This article relies on the national support plan science and technology project “Integrated Intelligent Construction Machinery Equipment Development for Energy Saving and Safety”, and takes the loader vehicle equipped with a double circulation cooling system cooling module as the research object, adopting a combination of numerical simulation and experimental research methods. The flow field and heat transfer characteristics of the new heat dissipation module assembly under typical working conditions, as well as the aerodynamic performance and aerodynamic noise of the cooling fan unit were analyzed and improved. The research work done in this paper provides guidance for engineering practice The main research content of the full text includes the following aspects:

　　Firstly, the theory of Computational Fluid Dynamics (CFD) simulation technology and the structure and working principle of the dual-circulation cooling system and its compact heat dissipation module are introduced. A simplified three-dimensional model of a 50-type loader equipped with a dual-circulation cooling system cooling module under a virtual wind tunnel was established. The boundary conditions and solution methods of the Fluent numerical simulation were determined according to the design parameters of the cooling system cooling module of the double-circulation cooling system. The internal air velocity field and temperature field distribution characteristics of the cooling module were analyzed.

　　Secondly, the accuracy of the simulation results of the virtual wind tunnel simulation model is verified by the heat balance test of the loader, and the influence of altitude on the heat transfer performance of the heat dissipation module is predicted by the CFD software. Further, the influence of the space between the cooling fan and the radiator, the form and position of the fan and the cooling fluid flow path in the radiator on the performance of the new heat dissipation module have been studied, which provides guidance for the optimization of the performance of the product in the engineering.

　　Thirdly, the performance simulation model of the cooling fan is established, and the reliability of the simulation method is verified by comparing the simulation data of the circular curved plate fan with the experimental data. Based on the flow pressure loss characteristics of a new type of radiator, a cooling fan of CLARKy airfoil curve is designed under the guidance of the theory of isolated airfoil and variable loop parameter design method. The aerodynamic performance and aerodynamic noise performance of the CLARKy airfoil cooling fan are predicted by CFD simulation. The simulation results show that the variation trend of the total pressure, static pressure and static pressure of the CLARKy airfoil fan with the flow rate is consistent with the overall trend of the circular curved fan. When the air flow is less than 9.11 m3/s, the CLARKy stat icefficiency of the airfoil fan is higher than that of the circular curved plate fan, but with the increase of the flow rate, the difference between the two fans becomes smaller. When the speed is 2000r/min, the total sound pressure level of CLARKy is 95.15dB, which is 3.42% lower than that of the circular curved fan.

　　Finally, for the CLARKy airfoil fan, the influence of the blade angle unequal distribution, the split blade and the top ring of the blade on the aerodynamic performance and aerodynamic noise of the fan is studied, which provides a reference for the optimization of the fan performance. 4 groups of three dimensional model of heat dissipation module based on different airfoil fans are established. The results of CFD simulation show that they play an active role in improving the air velocity uniformity of the rear grid outlet of the power cabin.

　　Key words:Double-cycle cooling system，CFD，cooling module，cooling fan，aerodynamic noise.

　　装载机作为工程机械的一种，因其作业速度快、效率高、机动性好、操作轻便等优点得到广泛应用，有力促进了我国建筑、道路、桥梁等行业的迅速崛起，在经济高速发展中扮演了重要角色。虽然我国的工程机械研究起步较晚，但对于挖掘机、盾构机、混凝上泵车、旋挖钻机、摊铺机、履带式起重机等诸多机型已经由从国外整车引进发展到独立研究开发阶段，与发达国家相关产品的技术差距正在逐步缩小，涌现出以徐工集团、广西柳工集团、中联重科股份有限公司、山推工程机械股份有限公司、三一重工集团、厦门厦工机械股份有限公司等为代表的一批优秀中国工程机械企业，呈现外资、国企和民资企业三足鼎立的产业格局。

　　2017 年 10 月全国共计销售各类挖掘机械产品 10541 台，同比涨幅 81.2%，预计2018 年挖掘机械行业将继续保持稳定增长态势，增幅约在 10%-30%区间内。经济的快速发展带来了严重的环境污染问题。依据《巴黎气候协定》，中国承诺到 2020 年争取实现碳排放强度降低 40%-45%的目标，十九大报告中明确提出我国将以更加积极开放的姿态加入全球生态文明建设中去，与各国一道努力保护好我们共同的生活家园。工程机械行业作为内燃机产品中除汽车行业之外的第二大使用行业，由于其排放的尾气中污染物密度大，对环境的污染更为严重。在法规实施方面，美国率先从 2014 年正式执行第四阶段污染物排放标准（40 CFRPART 1039）限值要求，我国《国家环境保护标准“十二五”规划》也重点强调要更加严格地把控污染物排放，要尽快建立健全工程机械、船舶等排放标准法规，加强已有法规的执法力度。国内企业方面，如图 1 所示，山东临工率先推出一款能够满足世界最严厉污染物排放要求的 L959F 环保型装载机。该型装载机配备了马达独立驱动系统，从而可以根据使用状况和散热需求来智能调节风扇转速，降低了系统驱动功耗，标志着我国工程机械企业在生产制造、环境友好型工程产品方面走在了世界前列。

　　发动机燃料燃烧产生的能量除转化为机械能推动曲轴做功外，其它都以热量的形式散失。热传递主要存在热传导、辐射传热及对流传热三种基本形式，以 50型装载机机发动机转速 2000r/min、铲装工况下的工作状态测算，约有 32%的热量由冷却液带走并在散热模块中与外界环境发生强制热交换[1]。整车热管理技术作为装载机关键技术之一，其主要内容为从系统集成与整体角度出发，根据整车不同工况作业散热需求，在热量传输过程中进行综合控制和系统管理，最终实现通过自动调节车辆冷却强度满足冷却需要，保障各零部件处在安全工作温度区间内，以此来保障和提升整车燃油经济性与动力性，降低车辆污染物排放量和维护费用等[2]。为提高装载机整车散热能力，部分学者从整车冷却系统的角度出发，通过改变冷却系统传热介质流动路径来控制热量的分配，如发动机分流冷却技术、余热回收技术[3-6]等。发动机涡轮增压、废气再循环等技术的广泛应用对整车冷却系统及其散热模块性能提出了更高的要求,部分学者通过优化动力舱内散热模块（主要包括冷却风扇、导风罩、散热器）单体及其总成冷却效率的方式来提高冷却系统的散热能力[7-11]。装载机工作环境复杂恶劣，具有发动机热源系统、液压热源系统、传动热源系统和中冷器等多个热源系统，在更严峻的环境保护与污染物排放控制法规实施背景下，深入细致的研究整车冷却系统及其关键部件具有重要工程应用价值。

　　散热器是车辆冷却系统与外界进行热交换的重要部件，在车辆应用领域，根据冷却方式可分为风冷散热器与水冷散热器等，根据使用用途可分液压油散热器、传动油散热器、发动机散热器、驾驶室空调散热器、机油散热器以及中冷器等。车用散热器一般由芯体、水室、主片、侧板与安装支架等部分构成，如图 1.2 所示，根据芯体部分翅片形式不同又可分为管带式是散热器、管片式散热器、板翅式散热器等。

　　现阶段国内外学者关于散热器性能的研究主要是通过试验或 CFD 数值计算的方式，分析不同芯体翅片结构参数或流体介质对散热器压力损失与传热特性的影响。国外 Sang[12]为预测百叶窗翅片散热器流动和传热特性，提出一种多尺度半微型换热数值计算方法，有效节省了百叶窗翅片散热器结构优化设计时间；RajuJadar[13]指出在散热器设计中采用纳米集成翅片材料代替铝翅片，对流换热效率比常规散热器的提高 10%以上；Dattatraya G[14]以水/乙二醇纳米流体作为汽车散热器冷却液替代传统冷却液，通过试验发现在相同散热效果下采用纳米流体时流动阻力减少 0.2%，而传热效率提升 30%；Akhilnandh Ramesh[15]设计了一种可用于车辆的螺旋式紧凑散热器，该散热器采用周向铝翅片，能够有效提升散热器的传热效率；Shi-Ing[16]基于 Star-CCM+ 商业软件比较和讨论了两种不同形式的翅片管换热器在不同风速下的压降和散热量，并进行了结构优化。国内张奥[17]采用CFD 仿真方法分析了翅片厚度、高度、节距与错齿长度等结构参数对散热器冷、热侧锯齿型翅片换热性能和阻力特性的影响；刘佳鑫[18]以散热量和压力损失为评价指标，对比分析了冷侧不同翼型热管结构的散热器翅片 J/F 因子仿真值，得出NACA0021 具有较高的换热系数和压力损失；徐振元[19]以波纹翅片散热器为研究对象，探讨了三角廓形翅片、三角倒圆角廓形翅片和正弦廓形翅片等三种波纹廓形对翅片换热系数和压力损失的影响，并以综合 J/F 评价因子和场协同角对三种廓形波纹翅片的工作性能做了比较；Zhang[20]基于田口方法定性分析了燃料电池发动机冷空气加热系统中板翅式散热器波纹翅片结构参数对散热器传热和压降的影响，通过 CFD 仿真结果发现翅片长度对散热器的综合传热性能影响最大，为优化空气预热系统和提高传热量提供了指导；郭健忠[21]通过试验验证了运用多孔介质模型计算某型汽车管带式百叶窗散热器阻力方法的可靠性，并计算出满足散热需求的百叶窗散热器翅片间距与开窗角度的最优值；刘晓[22]使用通过对比分析外部参数相同的管片式和管带式散热器冷测阻力特性和表面传热特性 CFD 仿真值，得出管带式较管片式空气流通阻力较大，但散热性能得到较大提升。除散热器单体自身性能外，若要高效的消散车辆产生的热量，散热模块总成中单体之间的匹配特性也是重要影响因素。良好的散热器组与风扇的空气动力匹配可确保以最佳成本进行高效的整车冷却系统热管理。

　　在散热模块研究方面，Gullberg[25]详细介绍了使用计算流体力学（CFD）预测车辆流场与换热时风扇、散热器的建模方法；Lisa Larsson[26]基于 CFD 技术对比分析了重型卡车散热模块前置与后置时流动阻力与散热性能的区别，仿真结果表明在相同冷却效果下散热模块后置时风扇转速需要提升 23%；Thorat[27]采用多孔介质模型表征散热器模型，通过改变孔隙率改变风扇下游阻力，风扇性能仿真曲线和流场表明下游阻力增大减少了空气流量，增加了驱动功率和叶尖涡流量；Srinivasa[28]基于 CFD 技术预测了风扇浸入比、与散热器距离和护罩倒角长度比等设计变量对散热器出口空气质量流量、风扇功率和速度均匀性的影响。

装载机冷却风扇的气动性能与气动噪声改造：

L959F 型装载机整车

动力舱结构

 
不同翅片结构散热器对比

不同叶片特征冷却风扇实物图

虚拟风洞物理模型

虚拟风洞网格划分

目 录

　　摘 要
　　ABSTRACT
　　目 录
　　第 1 章 绪论
　　　　1.1 选题背景及意义
　　　　1.2 国内外研究现状
　　　　　　1.2.1 散热器研究现状
　　　　　　1.2.2 散热模块研究现状
　　　　　　1.2.3 冷却风扇研究现状
　　　　1.3 本文研究内容
　　第 2 章 双循环冷却系统散热模块 CFD 数值分析
　　　　2.1 计算流体动力学（CFD）理论基础
　　　　　　2.1.1 基本控制方程
　　　　　　2.1.2 湍流方程
　　　　　　2.1.3 离散方程与求解方法
　　　　2.2 Fluent 软件换热器模型
　　　　2.3 装载机双循环冷却系统
　　　　2.4 基于虚拟风洞的双循环冷却系统散热模块性能仿真
　　　　　　2.4.1 虚拟风洞物理模型
　　　　　　2.4.2 仿真模型前处理与求解参数设置
　　　　2.5 仿真结果分析
　　　　　　2.5.1 温度场分析
　　　　　　2.5.2 速度场分析
　　　　2.6 本章小结
　　第 3 章 双循环冷却系统散热性能试验验证与优化
　　　　3.1 装载机整车热平衡试验
　　　　　　3.1.1 试验目的与试验方案
　　　　　　3.1.2 试验结果分析
　　　　　　3.1.3 双循环冷却系统散热模块 CFD 仿真可靠性验证
　　　　　　3.1.4 格栅出口空气流速分布测试与均匀性分析
　　　　3.2 海拔高度对散热模块传热性能影响
　　　　　　3.2.1 海拔高度对散热模块传热影响分析
　　　　　　3.2.2 不同海拔高度下散热模块传热性能 CFD 计算
　　　　3.3 基于 CFD 的散热模块性能优化分析
　　　　　　3.3.1 风扇与散热器间距对散热模块性能影响
　　　　　　3.3.2 风扇形式与后置安装对散热模块性能影响
　　　　　　　　3.3.2.1 温度场对比分析
　　　　　　　　3.3.2.2 速度场对比分析
　　　　　　3.3.3 冷却液流动路径对散热器性能影响
　　　　　　　　3.3.3.1 温差场均匀性因子
　　　　　　　　3.3.3.2 不同冷却液流动路径散热器建模
　　　　　　　　3.3.3.3 仿真结果分析
　　　　3.4 本章小结
　　第 4 章 冷却风扇设计与性能仿真优化
　　　　4.1 冷却风扇结构与性能参数
　　　　　　4.1.1 冷却风扇结构参数
　　　　　　4.1.2 冷却风扇性能评价参数
　　　　　　4.1.3 气动噪声预测模型与模拟方法
　　　　4.2 圆弧风扇性能 CFD 仿真与试验验证
　　　　　　4.2.1 圆弧弯板风扇仿真模型
　　　　　　4.2.2 圆弧弯板风扇流场分析
　　　　　　4.2.3 仿真结果可靠性验证
　　　　4.3 翼型冷却风扇设计与性能分析
　　　　　　4.3.1 翼型冷却风扇设计理论
　　　　　　4.3.2 翼型冷却风扇建模
　　　　　　4.3.3 翼型冷却风扇流场分析
　　　　　　4.3.4 冷却风扇气动噪声对比分析
　　　　4.4 翼型冷却风扇性能优化
　　　　　　4.4.1 叶片夹角不等距对风扇性能影响
　　　　　　　　4.4.1.1 叶片夹角不等距风扇建模
　　　　　　　　4.4.1.2 叶片夹角不等距风扇性能对比分析
　　　　　　4.4.2 分流叶片对风扇性能影响
　　　　　　　　4.4.2.1 分流叶片风扇建模
　　　　　　　　4.4.2.2 分流叶片风扇性能仿真分析
　　　　　　4.4.3 叶顶圆环结构对风扇性能影响
　　　　　　　　4.4.3.1 叶顶圆环风扇建模
　　　　　　　　4.4.3.2 叶顶圆环风扇性能对比分析
　　　　4.5 翼型风扇对动力舱格栅流场影响
　　　　　　4.5.1 基于翼型风扇的散热模块建模
　　　　　　4.5.2 基于翼型风扇的动力舱格栅出口速度场分析
　　　　4.6 本章小结
　　第 5 章 总结与展望
　　　　5.1 全文工作总结
　　　　5.2 展望
　　作者简介
　　致 谢

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