CFD技术在封闭发电机组热负荷分析中的应用.pdf

《CFD技术在封闭发电机组热负荷分析中的应用.pdf》由会员上传分享，免费在线阅读，更多相关内容在行业资料-天天文库。

1、4内燃机与配件2014年第12期CFD技术在封闭发电机组热负荷分析中的应用UsingCFDTechIloIo韶inHeatLoadAmIysisofWholeClosedGenerator谢如堂1陈德峰1高宏阁2(浙江耀锋动力科技有限公司天津内燃机研究所)[摘要]全封闭的发电机组由于比开架式发电机组噪声显著降低、且同功率密度转速升高带来整机重量减轻等诸多优势被高端客户所青睐，但封闭后整机热负荷迅速升高，一旦不能解决好将导致发电机动力输出和可靠性明显下降。本文采用CFD技术在1．6kw全封闭发电机组开发阶段进行了机舱内热负荷分析，详细列出了数学模型和

2、实际分析过程，这对封闭机组的开发成功提供了有力的技术手段，并且大幅降低了开发周期和成本。[关键词]cFD热负荷分析封闭发电机组1前言常见的5kW以下的发电机组是敞开式的，即发动机直接暴露在外界环境中，这种布置方式有助于发动机缸头、箱体、消声器等高温部件散热，但整机噪声问题较为突出。而封闭机组利用外壳将发动机、发电机及其他零部件全部包裹，突出优点是噪音小，又可以采用变频技术提高发动机转速以提升功率，因此在同样电功率下相比开架机组存在重量轻及噪音小等诸多优点，因此被国外高端市场广泛接受。国内发电机组制造商在开发封闭机组时广泛遇到热负荷问题，热负荷解决不

3、当会带来发动机功率短时间快速下降，过高的热负荷对整机可靠性也提出了更高的考验，主机厂解决手段多数是试验尝试，由于封闭后测试手段受到限制，且涉及传热和内外冷却环境开发、匹配，因此往往效果一般，导致开发投入大，周期长。而CFD(ComputationalF1uidDynamics)，即计算流体力学，作为一项成熟的流场分析手段，通过合理的数学模型建模，可以帮助开发人员通过计算机仿真得到封闭机舱内的热负荷特征，从而更快的对发动机冷却系统和封闭机组内外冷却流道进行合理优化改进设计。2数学模型建立基本物理模型要解决连续方程、动量方程以及能量方程对研究对象的合理

4、表达¨’41。连续方程又称质量守恒方程，可用式(1)表不害+丢(眺)=s。(1)式(1)是连续方程的一般表达式，适用于可压和不可压流动，其中S。表示源项。由于p=const且只考虑定常流动，因此式(1)简化为式(2)堕：0(2)批i动量方程可由式(3)表示。去(似)+麦(眺吩)=一赛+善+陷+E(3)其中P——静压一rii——应力张量gi——重力体积力在i方向分量F1——外部体积力在i方向分量由于p=const、Fi=0，且只考虑定常流动，因此式(3)简化为式(4)毒cu圳一吉(老一鲁)+毋c4，其中铲【肛(警+耋)卜争》。能量方程可由式(5)表示

5、。谢如堂陈德峰高宏阁：CFD技术在封闭发电机组热负荷分析中的应用击(pE)+毒(ui(pE+p))㈠罢译。+uj(Ti^Ⅱ)+SIl其中k跗——有效热传导系数Ji，——组分j的扩散流量S。——体积热源项：立3案例axj某款额定1．6kw静音封闭发电机设计冷却风(5)道原理如图2所示，简化后的用于CFD分析的CAD模型如图3所示，网格模型如图4所示。详细的网格情况见表1[5“]由于p=const，且忽略组分输运、只考虑定常流动，因此式(5)简化为式(6)蠹(丘够罢+帕山)“^(6)综上，式(2)、式(4)、式(6)构成了封闭机组热负荷分析的基本方程，

6、但仍需补充湍流模型使CFD模型封闭，通常选用k—s双方程模型以缩减计算规模。整个分析流程如图1所示：图lCFD分析流程——发动机风路一电机风路图2某款封闭发电机组冷却风道图4网格模型表1机组CFD模型网格情况蚓}嘲黩}●脚pII峨}醚i—r占pll峨}夕。▲I辆，一声。6内燃机与配件2014年第12期皑0嘲u桫图8电机定子表面温度在机组进出口位置施加各自环境温度和表面压力边界，电机和发动机风扇采用多重参考系(MRF)模型模拟旋转，对各个热源表面施加热流密度，初始化前后舱温度，采用隐式分离式求解器进行迭代求解，主要零部件表面温度分布如图5一图8所示。

7、在整机CFD分析后确认了各个主要零部件温度均在正常范围内，因此可以在保证热负荷前提下降低整机噪声：a)减少进气口和排气口面积，以减少辐射噪声声暴露；b)对发动机冷却风扇进行优化设计，减少气动噪声。4结论本文利用CFD技术成功校核了1．6kw封闭发电机组冷却风道，对机舱内部热负荷进行了有效热管理。通过CFD手段能够在封闭机组设计阶段完成对机舱内温度场分布可视化，帮助设计工程师分析出整机中重点零部件温度最高点是否超出设计限值，找出设计的不足，以便在模具开模前进行设计改进。CFD技术的采用大大缩短了封闭发电机组产品开发周期，减少了后期试验匹配的工作量，特

8、别是能够有效减少重开模具以及修理模具的制造成本。参考文献[1]任玉新，陈海昕，计算流体力学基础[M]，北京：清华大学出版社