散热系统设计及冷却风流场分析

1、摘要 装载机是一种非常经济实用，用途广泛、非常受欢迎的工程机械，它不仅对散状物料能够进行铲装、搬运、卸载及平整等简单的作业，也能够进行部分挖掘工作，而且如果换装成与其相对应的工作装置，也可以进行挖坑、推土、起重、搬运、装卸、堆积、运输木料、石料及钢管等更为复杂的作业。因此，装载机被广泛用于建筑、铁路、公路、桥梁、水电、港口、矿山、山林、农田等基本建设及重要的边防与国防等工程中。并且对减少劳动强度，加快工程建设，提高工程质量、降低成本等具有十分重要的影响。随着我国经济快速稳步的发展，在我国，大多数装载机生产企业已达到每年数万台的生产量和销售量，装载机生产行业已经成为影响国家发展、民族振兴、经济发

2、展的重要行业，因此对装载机各个部件的优化改进设计显得尤为重要。其中，散热系统设计合理、经济，不仅能够提高发动机的效率，还可以增加其使用寿命，降低生产成本及使用过程中燃料的消耗量。本文利用传热学、泵与风机和流体力学的知识，通过计算，选定合适的散热器和冷却风扇。并利用SOLIDWORKS、ICEM CFD、FLUENT 等软件对散热系统空气流场进行计算，建立模型，数值分析，进行验算。关键词:装载机；散热系统；FLUENT Abstract: Loader is widely used in mechanical engineering. It not only the bulk of the ma

3、terial can be were shoveling, unloading and smooth operations can also be part of the shovel and if dress up into its corresponding working device can also be bulldozing, lifting, loading and unloading, packing, transportation of wood and steel etc.Therefore, the loader is widely used in constructio

4、n, railway, highway, bridge, hydropower, port, mine, forest, farmland and other basic construction and important frontier defense and other projects. And it has very important influence on reducing labor intensity, speeding up engineering construction, improving engineering quality and reducing cost

5、. With the rapid development of Chinas economy, in our country, many loading machine manufacturing enterprises has reached every year tens of thousands of units of the production and sales, the loader manufacturing industry has become the important industry of national development, national rejuvena

6、tion, so the loading machine in various parts of the optimization improvement design is particularly important.The cooling system design is reasonable and economic, not only can improve the engine efficiency, also can increase the service life and reduce production cost.In this paper, with the knowl

7、edge of heat transfer, pump and fan and fluid mechanics, the suitable cooling fan and radiator areselected.And the use of SOLIDWORKS, ICEM CFD and FLUENT software for calculating the air flow field in the cooling system, establish the model, numerical analysis, checking.Keywords： Load machine; cooli

8、ng system; FLUENT目录摘要1Abstract:2第1章绪论51.1 课题的提出51.2设计现状及背景51.3设计内容及设计步骤的确定6第2章 装载机散热器的选定821装载机发动机散热系统82.1.1发动机冷却系统的原理及原理图82.1.2发动机散热器计算及选定82.2液力传动系统的散热系统102.2.1 液力传动系统的散热系统原理及原理图102.2.2液力散热器的计算及选定102.3液压系统的散热系统112.3.1液压系统的散热系统的原理及原理图112.3.2液压散热器的计算及选定12第3章 装载机冷却风扇的选定143.1冷却风扇结构原理及原理图143.2冷却风散热量的分析及风

9、扇的选定14第4章 创建装载机冷却空气流场模型164.1 几何模型的建立164.1.1 建立原形的三维实体模型164.1.2 建立空气流道的三维几何实体模型174.2 计算模型的建立184.2.1 网格模型的建立18第5章 空气流场数值模拟计算215.1空气流场的数值模拟计算215.1.1定义边界条件和计算域性质215.1.2 存储网格模型文件225.2 实施CFD计算的前期工作225.2.1 导入网格模型225.2.2 检查网格模型225.2.3 比例缩放225.2.4 光顺网格与交换单元面235.2.5查看网格信息235.2.6 选择求解器235.2.7 选择计算模型235.2.8 计算环

10、境235.2.9 定义材料235.2.10设置边界条件245.3 设置边界条件245.3.1 进口边界条件245.3.2 出口边界条件245.3.3风扇边界条件255.3.4 模拟散热器的边界条件255.3.5内部边界条件265.3.6 壁面边界条件265.4 求解和观察结果265.4.1 设置求解控制参数265.4.2 流场的迭代计算265.4.3存储计算结果265.4.4 查看计算结果265.5 原状态风道内冷却风流场的数值模拟结果分析265.5.1流速场275.5.2压力场分析295.5.3温度场分析305.5.4冷却风流量分配及散热器表面平均温度30第6章 总结32致谢33参考文献34

11、 散热系统设计及冷却风流场分析（吸风式）第1章 绪论1.1 课题的提出 装载机属于铲土运输工程机械，是一种广泛用于公路、地铁、铁路、建筑、桥梁、水电、港口、农林和矿山等建设的基础施工机械。具有工作作业速度快、劳动效率高、工作质量好、机动性好、操作轻便、经济效益好等优点，对于工程建筑单位加快工程建设，减轻工人劳动强度，提高建筑工程质量，节约建筑工程能源，降低工程建筑成本都发挥着积极的重要的作用，是现代机械化施工建设中必不可缺少的机械装备。在公路、特别是在高质量、高等级、高要求的公路施工中（如高速公路，机场跑道），装载机主要用于对路基工程的填挖、钢筋水泥混凝土料场和沥青混合料的集料与装料等基础作业

12、。此外还可进行推运土壤、刮平地面、压实路面和牵引其他机械等作业。由于装载机具有工作作业速度快、劳动效率高、工作质量高、经济效益高、机动性好、操作轻便、能源消耗低等优点，因此它成为工程建设施工中必不可缺少的工程机械，同时也成为工程机械中发展空间大，发展前景广阔，发展速度快、质量要求高、功能多种化、产销量及市场需求最大的工程机械之一。随着装载机的不断快速发展，以散热系统为核心的热管理系统越来越复杂，影响整机散热效果的因素也越来越多，散热系统设计的不合理，使工程机械的散热不足，装载机温度过高是影响装载机的动力性、经济性和可靠性的主要因素，并且制约着我国工程机械向大型化的快速发展，其中提高散热器性能和

13、散热模块合理的设计是国内大多数散热器企业亟需解决的难题之一。对于装载机，动力舱内多余的热量都需要通过散热器传给冷却空气，冷却空气在风扇的作用下将舱内的热量带走，在这一过程中，散热器和风扇的选择对散热系统性能有较大的影响，如果散热器和风扇的散热能力不够，达不到散热的要求，则会使发动机温度升高，不利于发动机正常运转，从而影响装载机工作。反之，散热器和风扇的散热能力过强，则会浪费本不该消耗的能源，造成能源损失。本文对给定的ZL50装载机参数，计算选定合适的散热器和风扇，使装载机在合适、合理的温度的工作环境下工作。1.2设计现状及背景装载机内燃机正常工作期间，气缸的燃气温度可以高达2500。燃料燃烧所

14、产生的热量只有一部分转换为机械功，使柴油机运转并对外输出做功；另一部分热量被排出的废气带走；还有一部分热量（约占燃烧热量的三分之一）经各种传热方式传给内燃机组件。特别是直接与燃烧气体直接接触的气缸盖、活塞、气缸套和气门等零件，使其强烈受热，若不及时加以冷却或冷却不足，则使缸内温度过高，各零件的材料、尺寸都会因为高温而膨胀，使充气量下降从而导致内燃机的功率下降；另外，温度过高，会使零件膨胀，而各个零件的结构、材料、尺寸、位置都会因温度的不同变化而膨胀的程度不同，从而相互之间的原有正常配合间隙被大大改变；另外，零件温度过高，会使零件表面起润滑作用的机油粘度大大下降，并有可能发生质变，使零件摩擦表面

15、间的润滑情况急速恶化，加大零件之间的摩擦，使运动件之间的磨损加剧，机件的强度和刚度下降，造成严重的变形和早期损坏。使其使用寿命急剧降低。因此，内燃机不能在过高的温度下工作。但内燃机也不能在温度过低的环境下工作。若散热系统散热过度，气缸内的温度过低，热量散失较多，转为有用功的热量就相对于的减少，使燃料利用率降低；另外气缸内温度过低，燃料的雾化蒸发性能变差，混合气的形成变差，使燃烧率降低，更进一步降低了燃料的利用率；还有温度过低，机油粘度过大，零件之间摩擦力增加，机械运作阻力增加，增加了多余的无用功。这些都会造成内燃机的耗油量增加，功率下降，燃料利用率降低。除此之外，内燃机温度过低还会使已经蒸发的

16、燃油在气缸壁上受冷重新凝结，而且排气中的水蒸气和硫化物会产生亚硫酸、硫酸等酸性物质，这不仅稀释了机油，增加零件之间的摩擦力，使磨损加剧，而且使零件受到酸性腐蚀，减少零件的使用寿命，甚至可能直接报废，产生事故。因此，内燃机不能在过高的温度下工作。综上所述，内燃机应在适宜、合理的温度下工作。才能保证燃料的利用率，零件的使用寿命，装载机工作效率达到最优。发动机本身在燃料燃烧过程中只有部分化学能转化成机械能通过曲轴运动输出，用于装载机的机械操作，部分以热能的形式由循环冷却水通过对流换热，循环带入到发动机散热器中，部分化学能以热量的形式由燃烧后的废气直接排放到大气当中，还有一些热量由机壳通过对流散发到空

17、气中，最后部分为残余热量，包括发动机附件（水泵、风扇、电动机及配气机构等）功率消耗、缸内残余废气所含热量和供油系统功率消耗等。装载机的散热系统主要包括散热器组、风扇、导风罩、排风罩及发动机机罩等主要部件。其中核心部件散热器组通常包括发动机散热器、液压系统散热器、液力传动系统散热器。由于各个散热器是热侧介质的工作温度的差异性，所选定的散热器有所不同，而且散热器总体布置也会影响到系统散热效果。从而体现出，设计一个合理的散热系统对装载机是多么的重要。1.3设计内容及设计步骤的确定本文主要利用传热学和泵与风机的知识，通过计算选定合适的散热器和冷却风扇组成散热系统。并利用SOLIDWORKS、ICEM

18、CFD、FLUENT 软件对散热系统冷却风流场进行建立模型，制成网格，进行数值分析、验算。具体工作是：（1）通过给定的ZL50装载机参数，通过计算选定合适的散热器，满足发动机，液力传动装置，液压装置的散热要求。（2）根据已选定的散热器，计算得出所需的空气流量，选择合适的风扇，达到散热要求。（3）用SOLIDWORKS软件画出散热系统各机件，组装、建立散热系统冷却风流场模型。（4）用ICEM CFD软件制作冷却风流场的网格图。（5）用FLUENT 软件对装载机散热系统冷却风流场进行模拟计算，进行数值分析、验证。第2章 装载机散热器的选定 装载机所需散发的热量主要来自三个部分，发动机，液力传动装置

19、和液压装置，它们之间还相互影响（由于该影响对设计不大，不予考虑）。本章以ZL50装载机热管理系统为例，对于给定的参数，主要针对冷却水、油、风系统的流量和散热量等，进行计算，并选择合适、合理的散热器和风扇，并组成合理的散热系统。21装载机发动机散热系统 2.1.1发动机冷却系统的原理及原理图 一般装载机发动机的冷却介质为水或加入一些防冻液的冷却液，循环水路主要由水泵、缸体水套和缸盖水套、节温器、散热器（也称水箱）及管道系统等组成。冷却水的循环过程是：水泵将散热器下水室中的冷却水泵入分水管，再进入缸体水套，向上流入缸盖水套，吸收热量后的冷却水经缸盖出水口流至节温器。当水温达节温器最大开启温度（如D

20、8配7590）（90）时，节温器上阀门全部开启，侧阀门全闭，冷却水全部流经散热器散热，由上水室经散热器芯流回下水室；当水温低（75）时，节温器关闭，冷却水不经过散热器，而直接经管路流入水泵。冷却水如此周而复始地循环，从而保持发动机正常的工作温度。当水温在7590范围内时，节温器处于半开启状态，大、小循环同时存在。由此可知节温器能自动调节冷却水的循环范围和循环流量，从而实现自动调节冷却强度。 图2-1 发动机散热系统结构原理图2.1.2发动机散热器计算及选定 一.发动机冷却系统散热量 二.冷却系统中循环水流量的计算 式中： 冷却水的比热 冷却水的密度 发动机进出水温差 三.冷却空气需求量的计算

21、式中： 空气定压比热 空气密度 进出散热器的空气温差，通常取 四发动机散热器表面积计算 水箱散热量也可表示为： 式中： 为水箱的传热系数 为散热器的散热面积 为散热器中冷却水和冷却空气的平均温差，取 其中：、分别为发动机冷却水进出水箱的温度，、分别为水箱前后风的温度。 发动机散热器的进水温度，对发动机冷却液进口温度，取； 发动机散热器的出水温度，为冷却水的进出口温差，一般强制循环取，对流循环为 发动机散热器进气温度，一般取 通过发动机散热器后的空气温度，是通过散热器后的空气的温升，一般取 查高热换热器及其节能应用得选择管片式散热器，管片式散热器的传热系数 ，则可求得发动机散热器的散热面积.2.

22、2液力传动系统的散热系统2.2.1 液力传动系统的散热系统原理及原理图装载机曲轴输出大部分能量转化为传动系统的行驶中所需的机械能和工作装置所消耗的作业机械能，小部分转化为摩擦产生的热量，即液力传动系统生热。液力传动系统产生的热量一小部分由液力传动系统本身散发，另一部分分别通过传动油带入到传动油散热器中，进行对流换热。装载机液力传动系统的工作效率通常为7080%，是一个大热源，需要散热系统带走的热量通常按传动能量的30%来设计。在该散热系统中，冷却油的循环过程是：油泵、滤清器、减压阀、变矩器、变矩器散热器、变速箱、油底壳。 图2-2 液力传动系统散热系统结构原理图2.2.2液力散热器的计算及选定

23、 一、变矩器油散热器的散热量 二、散热系统中循环油流量的计算 式中： 冷却油的比热 冷却油的密度 散热器进出油温差 三.冷却空气需求量的计算 式中： 空气定压比热 空气密度 进出散热器的空气温差 四液力散热器表面积计算 水箱散热量也可表示为： 式中： 为液力散热器的传热系数 为液力散热器的散热面积 为散热器中冷却水和冷却空气的平均温差， 取 其中：、分别为液力散热器冷却油进出散热器的温度，、分别为散热器前后风的温度。 液力散热器的进水温度，对传动系统进口温度可取； 液力散热器的出水温度，对开式冷却系统可取； 液力散热器进气温度，取 通过液力散热器后的空气温度，是通过液力散热器后的空气的温升，取

24、 查高热换热器及其节能应用得选择板翅式散热器，板翅式散热器的传热系数，则可求得液力传动装置的散热器的散热面积.2.3液压系统的散热系统2.3.1液压系统的散热系统的原理及原理图装载机曲轴输出大部分能量转化为传动系统的行驶中所需的机械能和工作装置所消耗的作业机械能，小部分转化为摩擦产生的热量，即液压系统生热。液压系统产生的热量一小部分由液压系统本身散发，另一部分分别通过液压油带入到液压油散热器中，进行对流换热。在液压系统的散热系统中，冷却油的循环过程是：齿轮泵、滤清器、工作液压系统、分流阀、液压散热器、油箱。 图2-3 液压系统散热系统结构原理图2.3.2液压散热器的计算及选定 一.液压油散热器

25、的散热量 二.散热系统中循环油流量的计算 式中： 冷却油的比热 冷却油的密度 散热器进出油温差 三.冷却空气需求量的计算 式中： 空气定压比热 空气密度 进出散热器的空气温差 四液压散热器表面积计算 水箱散热量也可表示为： 式中： 为液压散热器的传热系数 为液压散热器的散热面积 为散热器中冷却油和冷却空气的平均温差， 取 其中：、分别为液力散热器冷却油进出散热器的温度，、分别为液压散热器前后风的温度。 液压散热器的进水温度，对液压冷却系统可取； 液压散热器的出水温度，对开式冷却系统可取； 液压散热器进气温度，取 通过液压散热器后的空气温度，是通过散热器后的空气的温升，取 查高热换热器及其节能应

26、用得选择板翅式散热器，板翅式散热器的传热系数，则可求得液压装置的散热器的散热面积.第3章 装载机冷却风扇的选定3.1冷却风扇结构原理及原理图空气的质量流量是散热系统的主要参数，它的变化对系统的散热量有着比较大的影响。风扇提供的风压用于克服风道和散热器的风阻，保证散热要求的风流量，在特性曲线上，流量和压力坐标点应位于风扇的高效率区。传统结构中，风扇提供的压力大约50%用于克服散热器的风阻，另50%用于克服风道中其他部分的风阻。应合理设计机罩、导风罩等，合理布置有关部件，使流道尽量通畅，减小风阻，增大散热模块风阻的比例，这样有利于提高散热效果，减小风扇消耗的功率。新结构的分离式散热系统，风扇由液压

27、马达驱动，转速即可根据热状态进行调节，只要合理设计控制策略，即可实现性能良好的散热系统。风扇的直径应略小于散热器芯子的尺寸.风扇端面离散热器芯子过近或过远，都可能会出现无风区或发生回流现象。所以风扇端面与散热器芯子的距离为风扇直径的1015%。 3-1装载机冷却风系统结构原理图3.2冷却风散热量的分析及风扇的选定 在V工作状态下，热平衡工况下：1. 冷却风带走的总热量 2.风扇所需质量流量在V工作状态下，散热系统所产出的热量，与冷却风带走的总热量相等，处于热平衡状态。式中：通过散热模块冷却风的质量流量； 进出散热模块冷却风的温度差，； 冷却风的比热容，；反算出冷却风的质量流量：质量流量根据冷却

28、风质量流量，选用塑料762型风扇，10个工程塑料叶片因为该设计的输入系统采用吸风式，而液力散热器与液压散热器面积大小比为2比1，而二者相加的面积与发动机散热器面积相差不大，则该散热系统可采用串并联方式组成散热器组，将风扇置于散热器后，驱动冷却风带走热量。 3-2装载机散热系统结构图第4章 创建装载机冷却空气流场模型采用SolidWorks软件来绘制几何模型，SolidWorks软件功能强大，组件繁多。 有功能强大、易学易用和技术创新三大特点，这使得它成为领先的、主流的三维CAD解决方案。它能够提供不同的设计方案、减少设计过程中的错误以及提高产品质量。SolidWorks不仅提供如此强大的功能，

29、而且对每个工程师和设计者来说，操作简单方便、易学易用。对于熟悉微软的windows系统的用户，基本上就可以用它来搞设计了。独有的拖拽功能使用户在比较短的时间内完成大型装配设计。使用SolidWorks ，用户能在比较短的时间内完成更多的工作，能够更快地将高质量的产品投放市场。在目前市场上所见到的三维CAD解决方案中，SolidWorks是设计过程比较简便而方便的软件之一。4.1 几何模型的建立4.1.1 建立原形的三维实体模型参考ZL50装载机的设计图纸，利用SolidWorks建立适当简化的机罩、发动机外形、散热模块和它们组装起来的三维模型（图4-1）。图4-1 ZL50机罩、发动机示意图

30、图4-2 ZL50散热模块及装配示意图图 4-3 ZL50装载机机体示意图4.1.2 建立空气流道的三维几何实体模型参考4.1.1中的过程和数据，利用SolidWorks构造适当简化的由机罩、发动机外形、散热模块外形形成的空气流道三维几何实体模型和散热模块内部的空气流道三维几何实体模型（图4-2）。 图4-4 ZL50空气流道三维几何实体模型示意图 图4-5 ZL50散热系统装配体剖面图4.2 计算模型的建立作为专业的前处理软件ICEMCFD为所有世界流行的CAE软件提供高效可靠的分析模型。它拥有强大的CAD模型修复能力、自动中面抽取、独特的网格“雕塑”技术、网格编辑技术以及广泛的求解器支持能

31、力。网格是模型的几何表达形式，它是数值模拟与分析的基础与载体。其中网格生成质量的高低直接影响着计算精度和计算效率。目前，网格的生成方法，大致可分为结构化网格、非结构网格和混合网格三种类型。4.2.1 网格模型的建立1 在SolidWorks中，将图4-2的空气流道三维几何实体模型和散热模块内部的空气流道三维几何实体模型分别存储为IGES格式的文件，如p953_1.igs（机罩内-发动机外形-导风罩外风道）和p953_2.igs（风扇-导风罩内-散热器风道）。2 在gambit中，利用import命令将p953_1.igs和p953_2.igs导入，就形成了用于网格划分和CDF计算分析的几何模型

32、，其中有两个实体volume.1（机罩内-发动机外形-导风罩外风道）和volume.2（风扇-导风罩内-散热器风道），如图4-3。 图4-6 空气流道三维几何实体模型示意图3 利用面操作命令分别查清楚进风面、出风面、代表风扇的面和代表散热器的面的面代号。4 利用connect命令分别将volume.1和volume.2代表风扇的前后两个面连接起来得单独的风扇面和代表散热器前后两个面连接起来得独立的散热器面，使volume.1和volume.2连起来，形成空气流动通道。5 执行主菜单中的Solver/FLUENT 5/6命令，使得下面定义的边界条件、计算域性质以及生成的网格都能适合FLUENT

33、5/6版本计算的要求。 图4-7机罩内空气流道网格模型示意图 第5章 空气流场数值模拟计算CFD商业软件FLUENT，是通用CFD软件包，用来模拟从不可压缩到高度可压缩范围内的复杂流动。由于采用了多种求解方法和多重网格加速收敛技术，因而FLUENT能达到最佳的收敛速度和求解精度。灵活的非结构化网格和基于解的自适应网格技术及成熟的物理模型，使FLUENT在转换与湍流、传热与相变、化学反应与燃烧、多相流、旋转机械、动/变形网格、噪声、材料加工、燃料电池等方面有广泛应用。目前与FLUENT配合最好的标准网格软件是ICEM。FLUENT软件具有以下特点：FLUENT软件采用基于完全非结构化网格的有限体

34、积法，而且具有基于网格节点和网格单元的梯度算法；定常/非定常流动模拟，而且新增快速非定常模拟功能。FLUENT软件具有强大的网格支持能力，支持界面不连续的网格、混合网格、动/变形网格以及滑动网格等。值得强调的是，FLUENT软件还拥有多种基于解的网格的自适应、动态自适应技术以及动网格与网格动态自适应相结合的技术。5.1空气流场的数值模拟计算利用FLUENT软件对装载机的速度场和温度场进行CFD数值模拟计算。由于采用了多种求解方法和多重网格加速收敛技术，FLUENT计算时能达到最佳的收敛速度和求解精度，使得计算结果更加准确。 选择计算模型及求解方法利用Define/Models/Viscous命

35、令，选择“标准k-模型”，其中参数均采用默认值，计算温度场需要打开Energy能量方程，速度-压力耦合算法采用“SIMPLE”算法，离散格式均采用一阶迎风离散格式，其余计算参数使用默认值。5.1.1定义边界条件和计算域性质1 定义边界条件。分别将每个进口面定义为INLET_VENT（进风口），每个出口面定义为OUTLET_VENT（出风口），单独的风扇面定义为FAN（风扇），独立的散热器面定义为POROUS_JUMP（多孔介质压力阶跃），其它所有面都定义为WALL（墙壁）。2 定义计算域介质。计算域介质定义为流体。上述操作中用到的对话框如下图所示。图5-1 网格划分、边界条件、计算域定义对话框

36、5.1.2 存储网格模型文件1 利用File/Save或Save as命令将上述工作结果存储为gambit默认格式的文件。2 利用File/Export/Mesh命令将上述工作结果导出（存储）为网格模型（.msh格式）文件，如p953_2_31.msh（网格尺寸31）文件，提供给Fluent软件调用。5.2 实施CFD计算的前期工作这里利用Fluent软件进行冷却风道流场的CFD数值模拟计算分析。5.2.1 导入网格模型利用File/Read/Case命令读入在gambit中建立的空气流道网格模型（.msh格式文件），如p953_2_31.msh文件。5.2.2 检查网格模型利用Grid/Ch

37、eck命令，FLUENT会自动完成网格检查，同时报告计算域、体、面、节点等的统计信息。若发现有错误，会给出相关提示，需要根据提示信息进行相应修改。5.2.3 比例缩放因为我们在几何建模时，一般都是以毫米（mm）为单位，而在FLUENT中一般都是采用米（m）制单位，开始读入的网格模型保持着毫米为单位的长度数值，所以必须将该数值缩小为米制单位的数值。利用Grid/Scale命令，X、Y、Z的比例系数均设为0.001。5.2.4 光顺网格与交换单元面利用Grid/Smooth/Swap命令进一步光顺网格和交换单元面，以获得最有利于数值计算的网格模型。如果使用的是四面体网格，当网格检查通过后，还需要光

38、顺网格并交换单元面。光顺（smoothing）的目的是重新配置节点，交换单元面（swapping face）的目的是修改单元连续性。该操作主要是为了改善网格质量。当对话框中Swap Info选项组中的Number Swapped显示为0时，表示交换单元面的工作全部完成，若不为0，需要重复交换操作。如读入p953_2_31.msh文件后，通过该操作，其单元数变为196907个（gambit中是197012个），略有改变，网格质量得到了一些改善。当网格尺寸（interval size）选择20时，通过交换单元面，单元数变为694903个（gambit中是694941个）。5.2.5查看网格信息利用

39、Grid/Info/Size等命令，可以查看单元、节点数等信息。5.2.6 选择求解器利用Define/Models/Solver命令选择求解器，这里都采用对话框中的默认选项即可（如选择Segregated分离式求解器）。5.2.7 选择计算模型利用Define/Models/Viscous命令，选用常用的标准k-双方程数学模型，其中参数采用默认值。近壁流动计算采用标准壁面计算方程。如果计算温度场需要利用Define/Models/Energy命令选择能量方程。5.2.8 计算环境利用Define/Operating Conditions命令设置计算环境，这里采用默认值即可。通过实际计算验证表

40、明，这里是否选择重力选项Gravity对计算结果影响不大。5.2.9 定义材料利用Define/Materials命令定义材料，其中参数应与实际流体的属性参数相符。如常温下空气密度可取默认值1.225kg/m3，而当温度升高时其密度会有所减小，如在对XG982计算时采用了厂家试验提供的密度1.221 kg/m3。Fluid材料包含的属性有：密度或分子量（Density and/or molecular weights）黏度（Viscosity）比热容（Heat capacity）热传导系数（Thermal conductivity）质量扩散系数（Mass diffusion coefficie

41、nts）标准状态焓（Standard state enthalpies）分子运动论参数（Kinetic theory parameters）5.2.10设置边界条件在CFD计算中，边界条件的设置是一项复杂而又关键的工作，其设置的准确度直接决定着计算结果的准确度，每一个边界条件都要结合经验并进行细心的理论分析来确定，要使它的取值尽量接近实际。5.3 设置边界条件利用Define/Boundary Conditions命令设置边界条件（图4-6）。图5-2 边界条件设置对话框5.3.1 进口边界条件进口采用进风口（inlet vent），它用于描述具有指定的损失系数、流动方向、周围（进口）的总压和

42、温度的进风口。如果进口处压力降可忽略，其压力损失系数（Loss-Coefficient）设置为0（对于有障碍的进口面，如栅格进口、多孔结构进口等，损失忽略不计）。5.3.2 出口边界条件出口边界条件采用排风口（outlet-vent）边界条件，它用于描述具有指定的损失系数、周围（排放处）的静压和温度的排风口，在此其参数均可采用默认值，如压力采用相对压力0。5.3.3风扇边界条件风扇（FAN）是集总参数模型（图4-7），用于确定具有已知特性的风扇对于大流域流场的影响。这种边界条件允许用户输入风扇的压力与流量关系曲线，给定风扇旋流速度的径向和切向分量。风扇模型并不提供对风扇叶片上的流动的详细描述，

43、它只预测通过风扇的流量。图5-3 风扇边界条件设置对话框对于具体的风扇762，根据其曲线特点作适当的简化处理。塑料762风扇（风扇处导风罩半径r=395mm），得其特性曲线的走势，根据直线表达式来描述其某一转速下曲线，当转速n=2000rpm时，特性曲线的直线表达式为： p2000= -31.8v2000+956 参数分别为-31.8和956。5.3.4 模拟散热器的边界条件对于不考虑热传导影响的散热器模拟，一般采用多孔介质压力阶跃（Porous Jump）边界条件，这种边界条件也可用于通过筛子和过滤器的压降模拟。该模型比完整的多孔介质模型更可靠、更容易收敛，应尽可能采用。多孔介质压力阶跃边界

44、条件的压降与流速的关系为：其中：为层流黏度，为介质的渗透性（m2），c2为压力阶跃系数（1/m），v为多孔渗流介质表面法向流速，m多孔介质厚度。参数代表黏性风阻的参数c2代表惯性风阻的参数取为1.510-7c2取为40散热模块厚度m=0.17m。其中，水箱的迎风面积F=0.8120.850=0.69m2，厚度m=0.09m。油散热器的迎风面积F=800740mm2=0.592m2，厚度m=0.08m。空气密度=1.225kg/m3，黏度=1.789410-5kg/m-s。5.3.5内部边界条件内部界面采用interior边界条件，用于连接两个计算域，这里需要设置多个interior，分别为风扇

45、进口面和各散热器进出口面。5.3.6 壁面边界条件流道表面均是光滑的金属表面，采用无滑移壁面（wall）边界条件，其余参数为默认值。5.4 求解和观察结果5.4.1 设置求解控制参数利用Solve/Controls/Solution命令，设置离散格式与欠松弛因子（通常采用默认值）。Solve/Controls/Limits命令用于设置求解限制项。利用Solve/Monitors/Residual命令，设置求解过程监视残差的参数。利用Solve/Initialize/ Initialize命令，初始化流场。5.4.2 流场的迭代计算根据设定的条件，利用FLUENT软件分析各种方案。5.4.3存储

46、计算结果利用File/Write/Case&Data命令，存储设置和计算结果。5.4.4 查看计算结果利用Display/Vectors命令显示矢量，可观察流速场；利用Display/Contours命令显示等值线，可观察流速场、压力场及温度场；利用Report/Fluxes命令可查看指定面的流量；利用Report/Surface Integrals命令可查看指定面上的变量的积分值、加权平均值。5.5 原状态风道内冷却风流场的数值模拟结果分析ZL50原状态机罩和风道（图4-1、图4-2），网格尺寸31，在V字作业工况下，风扇转速nfan=2000rpm， 风扇的特性曲线可近似为一条直线：p20

47、00= -31.38v2000+956。采用多项式（polynomial）方式，其A1=956，A2= -31.38。散热模块风阻参数取为1.610-7，c2取为40，散热模块厚度m=0.17m。空气密度=1.225kg/m3，黏度=1.789410-5kg/m-s。CFD计算259次收敛。可得出该设计合理，符合理论。5.5.1流速场 图5-4 ZL50机罩内垂直右侧断面冷却风速度分布图 图5-5 ZL50机罩内水平中间断面冷却风速度分布图 图5-6 ZL50进出口断面冷却风速度分布图图5-7 ZL50风扇断面冷却风速度分布图5.5.2压力场分析图5-8 ZL50机罩内冷却风的中间垂直断面压力5.5.3温度场分析图5-9 ZL50装载机中间垂直断面温度示意图 图5-10 ZL50装载机出口温度示意图5.5.4冷却风流量分配及散热器表面平均温度根据数值模拟计算结果，计算出进风口风流量及各散热器表面平均温度进风口流量（kg/s）流量比例（%）右侧0.91315.81左侧0.93716.36上侧