冷卻模塊風阻計算及冷卻風扇匹配校核

2024年2月21日發(作者：答辯意見)

2017/06總第496期冷卻模塊風阻計算及冷卻風扇匹配校核魏哲雷，呂 昌，王明燕（徐工集團江蘇徐州工程機械研究院，江蘇 徐州 221004）［摘要］以某款工程車輛冷卻模塊為研究對象，通過風洞實驗并經二項式擬合獲得冷卻模塊單體風阻曲線，經過代數疊加計算得到冷卻模塊整體風阻曲線，聯合風扇性能曲線，確定風扇工作點，并與臺架測試結果對比驗證。結果顯示，所形成的計算方法可以指導整車冷卻模塊和冷卻風扇匹配選型。［關鍵詞］冷卻模塊；風阻計算；冷卻風扇；匹配選型［中圖分類號］TK42 ［文獻標識碼］B ［文章編碼］1001-554X（2017）06-0073-03Cooling module wind resistance calculation and cooling fan matching check

WEI Zhe-lei，LYU chang，WANG Ming-yan工程車輛發動機普遍采用風扇和散熱器冷卻裝置。為使發動機功率有效發揮和改善燃油經濟性，發動機又廣泛采用增壓中冷技術工程機械的大多執行元件依靠液壓動力來提供能量，一般還要對液壓油進行冷卻。考慮到整車裝配空間的限制，將散熱器和中冷器、液壓油散熱器集成為一個組件，即冷卻模塊，通過冷卻風扇提供的冷卻空氣將冷卻水、增壓空氣及液壓油的熱量傳入大氣。冷卻模塊與冷卻風扇的匹配選型，盡管目前可以借助商業仿真軟件進行精確的計算和判定，但多數設計人員還是按照經驗來計算和選型。本文通過風洞實驗獲取冷卻模塊單體的性能參數，通過公式擬合及代數疊加的計算方法得到冷卻模塊風阻，結合冷卻風扇靜壓-風量曲線，確定冷卻風扇工作點。參照工程機械用冷卻風扇相關標準［1］，搭建物理臺架測量冷卻模塊和冷卻風扇匹配風量，校核匹配選型，從而為冷卻模塊的冷卻風扇匹配選型提供了一套理論計算聯合實驗驗證的有效方法。參數表1 冷卻模塊單體芯子結構尺寸水散熱器中冷器液壓油散熱器芯子尺1185×970×113970×397×120970×784×120寸/mm芯子迎風面積/m21.1460.3850.760中冷水器散液熱壓油器散熱器風向圖1 某工程車輛冷卻模塊簡化模型同時三者芯子進風面積滿足S水散熱器≈S中冷器+S液壓油散熱器 （1）

借助散熱器風洞實驗并通過多項式ΔP=AGa2+BGa （2）

DOI:10.14189/1981.2017.06.007［收稿日期］2017-03-24［通訊地址］魏哲雷，江蘇省徐州市金山橋經濟開發區馱藍山路26號1 冷卻模塊單體風阻實驗某款工程車輛冷卻模塊是由中冷器和液壓油散熱器并聯之后再與水散熱器串聯組成，各單體芯子結構尺寸見表1，簡化模型如圖1所示。冷卻風扇采用發動機直驅形式，吸風布置。CONSTRUCTION MACHINERY73Copyright?博看網 . All Rights Rerved.

DESIGN & CALCULATION設計計算式中 ΔP——風阻，Pa； Ga——單位重量風速，kg/（m2· s）；

A、B——多項式系數，為定值，無量綱。擬合得到三者的風阻曲線如圖2所示。

800800假定流經中冷器及液壓油散熱器的冷卻空氣全部流經水散熱器，由流體力學理論可知，冷卻空氣在冷卻模塊中流動時，在進口和出口截面之間的各處壓力降都是相同的，所以冷卻空氣流過上部和下部的流速是不同的，流過水散熱器和中冷器的重疊部分因阻力大其流速相對較小，而流過水散熱器和液壓油散熱器的重疊部分因阻力小其流速相對

較大。根據公式（2），令ΔP=0Pa、200Pa、400Pa、600Pa、800Pa、1000Pa、1200Pa、1400Pa，可以分別求出冷卻空氣流經水散熱器和中冷器的重疊部分及水散熱器和液壓油散熱器的重疊部分的單位重量風速。根據冷卻模塊單體各自的芯子面積，即可求出兩重疊部分的重量風速，根據公式（4）可以求出冷卻模塊總的重量風速，如表2所示，繪制冷卻模塊總的風阻-重量風速曲線如圖4所示。?Ma冷卻冷模塊單體風阻

P

Pa卻模塊單體風阻△/P/a△P7681冷卻空氣單位重量風速Ga/（kg/（m·s））冷卻空氣單位重量風速（kg/（m·s））Ga水散熱器水散熱器中冷器中冷器1414液壓油散熱器液壓油散熱器圖2 冷卻模塊單體風阻曲線2 冷卻模塊總風阻計算對于冷卻模塊迎風面積全覆蓋的情況，某冷卻空氣流量下的總阻力等于冷卻模塊單體在相應流量下的阻力之和［2］，即ΔPf??ΔPi

i?1n?Ga?A

iii?1n （4） （3）冷卻模塊在某冷卻空氣流量下總的式中

Ma——

重量風速，kg/s； Gai——

單體重合部分在某冷卻空氣流量下的重量風速，kg/（m2 · s）； Ai——單體進風面積，m2。表2 重量風速計算結果水散熱器和液壓油冷卻模塊散熱器風阻總重量風單位重量單位重量速重量風速重量風速風速風速水散熱器和中冷器Pa01000kg/（m2·s）03.435.416.978.289.4510.5111.49kg/s01.322.082.683.193.644.054.42kg/（m2·s）03.825.837.408.729.8810.9411.91kg/s02.914.445.626.637.528.329.06kg/s04.236.528.319.8211.1612.3713.48單體在某冷卻空氣流量下的阻力，Pa；式中 ΔPi——

單體重合部分在某冷卻空氣流量下 ΔPf——

的總阻力，Pa。利用公式（3）可以計算得到中冷器與水散熱器重疊部分在某冷卻空氣流量下的總阻力及液壓油散熱器與水散熱器重疊部分在某冷卻空氣流量下的總阻力，結果如圖3所示。從圖3可以看出，在某冷卻空氣流量下，中冷器與水散熱器重疊部分的總阻力比液壓油散熱器與水散熱器重疊部分的總阻力略大，即同一冷卻空氣單位重量風速下，冷卻模塊的上部比下部風阻要大一些。1614冷卻空氣單位重量風速Ga/ (kg/(m·s) )水散熱器和中冷器水散熱器和液壓油散熱器1200

1400圖3 冷卻模塊重疊部分風阻曲線

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2017/06總第496期16001400Δ風阻

P

/pa參考JB/T 7697-2013《工程機械用金屬冷卻風扇技術條件》標準，搭建物理實驗臺架，同步進行了風速測量，如圖6所示，平均風量為Ma3=10.96kg/s。將臺架實驗結果10.96kg/s與計算結果11.41kg/s進行對比，可以看出，三者的誤差為3.95%，誤差主要來源于冷卻模塊的簡化及風阻2 46810122冷卻模塊總重量風速Ga/ (kg/(m·s) )0 0 0曲線擬合誤差。所以計算結果與實驗結果吻合良好，可以指導工程車輛冷卻風扇與冷卻模塊的匹配

選型。d圖4 冷卻模塊總的風阻-重量風速曲線圖3 冷卻模塊與冷卻風扇匹配校核A散熱器廠家明確要求，該冷卻模塊在冷卻風扇轉速為2100rpm時，冷卻風扇所要提供的冷卻風量Ma1=11.37kg/s，所要提供的靜壓ΔP1=820Pa，散熱器廠家推薦一款冷卻風扇可供選配。將得到的冷卻模塊總的風阻-重量風速曲線繪制在選配的風扇靜壓—風量曲線上，兩曲線的交點即為風扇工作點，如圖5所示，此時，風量Ma2=11.41kg/s，靜壓ΔP2=1019.1Pa。可以看出，風量與散熱器廠家要求的風量基本相同，靜壓比散熱器廠家要求略高，是因為整車冷卻系統的阻力除散熱器阻力外還包括進風柵格、導風罩以及發動機艙等的阻力。有文獻指出，工程車輛冷卻系統的阻力ΔPZ為冷卻模塊阻力ΔP的1.1～2.1倍［3］。

2500500風速測量面圖6 整車平均風量測試示意圖4 結論（1）本文提出了一種工程車輛冷卻模塊匹配冷卻風扇的方法。該方法是基于冷卻模塊單體實驗結果，通過二項式擬合及代數疊加計算得到工程車輛冷卻模塊風阻曲線，并聯合風扇性能曲線，得到并確定冷卻風扇工作點。（2）經過臺架實驗測試，結果顯示誤差在4%以內，可以滿足工程應用需要，從而驗證了該計算方法的準確性，能夠為冷卻模塊單體組合設計以及冷卻系統總體設計提供指導。［參考文獻］［1］JB/T7697-2013. 工程機械用金屬冷卻風扇技術條件［S］.16風量 (kg/s)Q冷卻風扇風量-靜壓曲線冷卻模塊風量-總阻力曲線［2］ 王兆煖. 散熱器、中冷器和風扇的選型校核計算［J］. 柴油機設計與制造，2009，4：20-31.［3］ 楊連生. 內燃機設計［Ｍ］. 北京：中國農業機械出版社，1994．圖5 風扇與冷卻模塊工作曲線圖CONSTRUCTION MACHINERY75Copyright?博看網 . All Rights Rerved.