港机设备散热风道流场数值分析及优化

计算中采用了标准k-着方程湍流模型。通过对比仿真结果和对比了风道优化前后风道内流场的分布。SYS/FLOTRAN对其进行三维流场分析，

试验结果验证了该分析方法的正确性，为散热风道的设计和优化提供了可靠的方法。【关键词】风道；数值仿真FLOTRAN；【中图分类号】U266

【文献标识码】A

【文章编号】（2020）2095-206602-0186-02

良好的散热系统设计是保证港口设备稳定工作的关键遥进行准确的冷却风道设计是达到良好散热系统的途径之一遥港机搬运设备内部动力仓狭小袁空间拥挤袁常规的冷却风道设计方法通常是根据经验设定风道的布置袁有一定的局限性遥

为此袁采用ANSYS/FLOTRAN软件对港机搬运设备的进气口风道进行数值分析袁仿真风道内三维的空气流动情况袁通过分析模拟出风道内部空气流动及气压分布情况袁清楚地模拟出风道内部空气流动及气压分布情况袁从而进气道的优化提供理论依据遥并提出对进气口风道布置的优化方法遥并结合风道试验测试验证了仿真结果遥

0引言1数学模型描述流体运动的方程主要包括院质量守恒方程尧动量守恒方程和能量守恒方程遥港机搬运设备吸风道内的空气可以假设为不可压缩的理想气体袁其密度和粘度保持不变遥并可以忽略温度变化对于气体介质的影响遥其对应的控制方程如下院

渊1冤连续性方程院坠u+坠淄+坠w=0坠x坠y坠z渊2冤动量方程守恒形式院

坠u+div渊uU冤=div渊vgrad冤u-1坠p坠t籽坠x坠淄+div渊淄U冤=div渊vgrad冤淄-1坠p坠t籽坠y坠w+div渊wU冤=div渊vgrad冤w-1坠p坠t籽坠z式中院v-运动粘度曰p-流体的压力遥

1.1控制方程组

采用ANSYS11.0的FLOTRAN模块对港机搬运设备吸风口风道进行了三维流体数值模拟分析遥FLOTRAN模块是基于质量守恒尧动量守恒和能量守恒的分析模块袁它能够求解流场速度尧压力尧温度分布等参数遥可以进行层流尧湍流曰牛顿流体和非牛顿流体的分析遥FLOTRAN可以分析二维及三维流体袁其中FLUID141可以进行二维流体的分析袁FLUID142可以进行三维流体的分析遥

2数值模拟+C1着着渊Gk+C3着Gb冤-C2着籽着+S着

kk式中院Gk为紊流功能曰Gb为浮力引起的紊流动能产生项曰Ym为紊流中的脉动扩张项曰C1着尧C2着尧C3着为经验常数袁啄k尧啄e为k方程和着方程的紊流普朗特数曰Sk和S着为自定义源项遥对于一般流场问题袁k-着模型均可以很好地进行求解遥

2

2.1风道模型

港机设备动力系统的散热片布置在车架体后方袁和发动机的散热风扇安装在一起遥散热风扇和散热片之间安装有导风罩袁发动机的散热风扇是吸风式风扇袁空气由驾驶室下方的进风口通过进风道流经散热器袁再吹向另一侧的动力舱遥在港机搬运设备后挡风板上还有两个进风小孔袁其结构如图1所示遥

1.2湍流模型

根据雷诺数判别公式袁通常认为当Re>2300时系统为紊流袁当Re<2300时流体处于层流状态遥根据实际风速测量袁最终确定港机搬运设备风道内的流体状态为定常有粘性不可压缩的紊流遥

湍流粘性系数表达式为院

浊=C滋籽k/着

2

图1港机搬运设备散热风道布置结构

在仿真中采用标准方程k-着方程湍流模型遥标准k-着方程模型的湍动能和耗散率方程如下院

滋坠渊籽k冤+坠渊籽kui冤=坠滋+i坠k啄k坠xj坠t坠xj坠xj

坠渊籽着冤+坠渊籽着ui冤=坠坠t坠xj坠xj+Gk+Gb-籽着-YM+Sk

对于板翅式的散热片袁该散热片是由翅片尧隔板和封条三

种元件组成的单元体叠积结构遥其中隔板水平分布袁波形翅片置于两块平隔板之间袁两隔板间的距离约为10mm遥完全按照散热片尺寸进行三维建模是不合理的袁也是不可实现的袁因此将其进行简化袁忽略波形翅片的影响袁并在垂直方向均布地简化成7块隔板遥

蓘蓸186坠着蓘蓸滋+滋啄蔀坠x蓡ie

j

蔀蓡2.2网格生成

进气道系统是截面变化的复杂管系袁结构复杂遥进行三维

流场计算袁合理构筑三维网格极为重要袁其网格生成的质量优劣直接影响到计算精度和收敛性遥

考虑到在风道转角尧风道扩张尧收缩的关键部分风速和压力有较大梯度的变化袁因此在这些部分对网格进行了再次地精确划分袁以得到相对准确的仿真结果遥细化等级设定为2

LOWCARBONWORLD2020/22.3级袁即计细算化后单元求解

跟原单元边长比值为1/3遥

40质遥次采用默遥认流体的标准k空气密性-着度质方为选程院为湍1.225AIR-MM流模型进行kg/m3袁袁粘即度毫求为米解遥迭代次数设置为17.-克-秒伊10制-6的空气性度松弛因子设置为Pa窑s遥速啄S本模袁型模设置为型0.5常袁以数加快流体不C收敛遥其中湍流常数设置为院模型常数C1=1.442=1.92可袁压模袁型所以常数Gb滋=0t=0.09袁YM=0袁啄袁ke=1.3袁因为=1.0Sk袁着=0遥

=0袁风扇转动时压降主要出现在风扇外缘袁因此设置风扇直径3为300mm以内的区域为壁面边界条件遥

3.1结果分析及优化在分析结果

仿真收敛之后袁使用ANSYS的后处理功能对仿真结果进行分析遥为准确反映出风道内流体的分布情况袁截取了风道中间截面的流速分布云图遥仿真还需要分析散热风道出口的流量情况袁选取了风道出口的上端点和下端点袁定义过风道出口的上下端点及圆心的直径线作为风速采集点路径袁得到了沿路径的流体速度分布袁图2为风道内流速分布矢量图遥

图2速度矢量

根据仿真结果可以看出袁主吸风口吸风利用率不高袁风道内风速分布不均匀袁下方散热片没有得到良好利用遥较大风量3.2从小散热孔吸入遥

将改进方案

原有的小通风孔封堵袁再次进行仿真遥改进后散热风道内的风速矢量分布如图3所示遥

图3改进后速度矢量

根据仿真结果袁整个风道内气流速度分布比较平均袁相比与之前的情况袁上方进气孔有效吸入面积大袁吸入的总风量变大遥气流较平均地通过散热片遥风道内气压变化比较平缓袁没有较大的压力突变和损失遥根据截取的风道出口风速曲线袁出风口上半截面的平均风速约为6m/s袁略小于之前情况袁下半

综合论述界面的平均风速约到6.5m/s遥总出风量大于改进前约10%袁且气4试流验验平均流证经各个散热片袁散热片得到充分利用遥

为验证仿真结果袁用风速仪对风道内流速进行实际测量袁风0.3-35速仪型测量m/s号条袁为测件量SMART为精发度动为SENSOR机怠0.1速m/s状态袁公满足司的AR826袁其测量范围为袁选本实取测验量点的测为量散要热求片中遥

心线上均布的六个点袁在封堵小进风口前后分别对该6个点的风速进行测量遥

测量结果如表1所示遥

表1风道内风速实际测量值单位院m/s测量点1测量点2

测量点3测量点4测量点5测量点6封堵前1.52.92.92.22.41.7封堵后

2.6

3.0

2.7

3.3

2.4

2.3

封堵前平均风速院2.27m/s袁封堵后平均风速院2.71m/s袁封堵后流量约增大16%遥该试验实际测量风速小于与仿真风速袁这是由于风速仪的叶片直径约为100mm袁散热片隔板间距约为10mm袁叶片的迎风面积只有实际面积的一半遥测量风速的变化趋势与仿真结果的变化趋近与一致袁实验结果中袁小通风孔封堵前后散热风道内流量变化率与仿真结果大致相同遥验证5了总仿真的可靠性遥

文章结中给出了使用ANSYS/FOTRAN对港机搬运设备散热风道进行建模仿真的方法遥通过数值仿真袁反映出了风道内流场的分布遥揭示出原风道上小进风口对于风道内气流的影响遥

风道上设计小进风口反而会打乱原风道内平稳的气流袁造成风速交汇处产生较大的压降遥使得总进风量降低遥改进后的风道不仅仅增大风道进风量袁而且保证了进入风道内空气为港机搬运设备上方干净的新鲜空气袁降低了散热片的清理周期遥为风道的设计和优化提供了一个可靠的方法遥

[1]参考文献

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流体动力学分析院CFD软件原理与应用[M].北京院清华收稿日期：2020-1圆-12作者简介：梁爽渊1984-冤袁男袁汉族袁湖南长沙人袁中级职称袁研究生袁主要从事港机产品研发工作遥

卢磊渊1983-冤袁男袁汉族袁河南南阳人袁中级职称袁研究生袁主要从事港机产品研发工作遥

李江涛渊1985-冤袁男袁汉族袁湖北荆门人袁中级职称袁研究生袁主要从事港机产品研发工作遥

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