Специалисты Центра инженерно-физических расчетов и анализа выполнили демонстрационный расчет вентиляторов в подкапотном пространстве карьерного самосвала.

Цель работы - демонстрация возможностей программных продуктов ANSYS CFD применительно к следующим задачам:

• Определение расхода воздуха через радиаторы системы охлаждения двигателя самосвала.
• Определение наличия снижения производительности вентиляторов систем охлаждения двигателя вследствие их негативного влияния друг на друга и выработка пути снижения данного негативного влияния.
• Определение наличия рециркуляции подогретого воздуха из подкапотного пространства на вход в радиаторы, выработка мер по снижению рециркуляции.

Исходные данные и допущения

• CAD-модель подкапотного пространства и системы охлаждения двигателей самосвала.
• Тепловыделение радиаторов, двигателей и прочих источников тепла не учитывается, расчет проводится при нормальных атмосферных условиях +20ºС.
• Общий габарит радиаторов показан на 3D компоновке, остов радиатора – трубчато-пластинчатый, трубки плоско-овальные.
• Габаритный чертеж вентилятора и его характеристика заданы. Обороты вентилятора 1050 об/мин.
• Скорость движения самосвала 10 км/ч.
• Высота бампера над уровнем земли 1,8 м.

CFD-модель подкапотного пространства

Расчетная область для CFD расчета – это область в подкапотном пространстве, занятая воздухом. Геометрия расчетной области построена на основе твердотельной CAD модели с введением ряда упрощений для CFD анализа. Радиаторы заменены прямоугольными блоками воздуха с заданным аэродинамическим сопротивлением.

Для того, чтобы была возможность наблюдать обратные токи из подкапотного пространства через боковые входы в радиаторы, вблизи них добавлены вспомогательные области внешнего воздуха (Рис. 1).

Рис. 1. Расчетная область

Рис. 2. Подкапотное пространство карьерного самосвала

Моделирование изотермического течения вязкого несжимаемого воздуха осуществлялось на основе уравнений Навье-Стокса, осредненных по Рейнольдсу. Для замыкания системы уравнений использовалась SST k-w модель турбулентности. Задача решалась в стационарной постановке.

Граничные условия

1. На открытых поверхностях фронта самосвала и на входных (фронтальных) поверхностях вспомогательных областей внешнего воздуха задавалась скорость V =10км/час, что имитирует движение самосвала в потоке воздуха. Интенсивность турбулентности полагалась 5%, отношение турбулентной вязкости к молекулярной – 10.

2. На открытых частях внизу подкапотного пространства задавалось статическое давление, равное атмосферному. При этом выходная граница из подкапотного пространства искусственно отнесена для исключения влияния жестких ГУ на течение в подкапотном пространстве.

3. На задних поверхностях вспомогательных областей внешнего воздуха также задавалось атмосферное статическое давление.

4. На боковых поверхностях вспомогательных областей внешнего воздуха ставилось условие симметрии.

5. На стенках ставилось условие прилипания.

Моделирование радиаторов

Учет аэродинамического сопротивления за счет загромождения потока пластинами и трубками при течении через радиатор осуществляется посредством модели пористой среды. При таком подходе радиаторы заменяются сплошными блоками воздуха. Течение между пластинами радиатора в такой редуцированной модели не моделируется детально, а учитывается за счет дополнительного сопротивления в этой области (добавление источникового члена в уравнение баланса импульсов). Модель пористой среды в ANSYS CFD позволяет учитывать аэродинамическое сопротивление как за счет сил вязкости, так и инерционного сопротивления за счет изменения проходного сечения канала.

Коэффициенты вязкого и инерционного сопротивления получены по результатам решения вспомогательной задачи течения между пластинами радиатора. Для этого смоделировано детально течение в части радиатора. Расчетная область для этой вспомогательной задачи включает в себя область воздуха, ограниченную двумя пластинами радиатора в одном направлении и поверхностями симметрии двух соседних рядов трубок в другом (Рис. 3).

Рис. 3. Расчетная область для задачи расчета аэродинамического сопротивления в радиаторе

Проведена серия расчетов для диапазона скоростей на входе в радиатор 1-10 м/с, и получена зависимость перепада давления по обе стороны от радиатора от скорости. На основании этой зависимости рассчитываются коэффициенты вязкого и инерционного сопротивления, которые используются в  редуцированной модели.

Рис. 4. Сопротивление радиаторов

Двигатели

Для простоты при построении геометрии расчетной области фрагменты двигателя были заменены блоками простой формы. Прямоугольные блоки вблизи вентиляторов (Рис. 2) в действительности не являются полностью непроницаемыми, что подразумевает возможность прохождения через них воздуха. В тоже время необходимо иметь в виду, что поток загроможден элементами двигателя. В идеале следовало бы по аналогии с радиаторами заменить его пористой средой, т.е. блоками воздуха с заданным сопротивлением. Однако, так как элементы двигателя в этой области имеют сложную структуру, точная оценка аэродинамического сопротивления без детального моделирования течения во всей этой области представляется затруднительной. Поэтому просчитаны два крайних варианта:

- когда вся эта область занята воздухом;

- когда вся это область занята твердым телом.

Вентиляционные решетки

Сопротивление на вентиляционных решетках спереди подкапотного пространства и перед радиаторами не учитывалось ввиду малой значимости по сравнению с остальными допущениями в постановке задачи.

Вентиляторы

Оба вентилятора включены в расчетную модель, т.е. течение в вентиляторах моделируется детально. При таком подходе расход воздуха, проходящего через вентиляторы, определяется течением во всей расчетной области и работой вентиляторов в данной системе, а не навязывается характеристиками производителя, полученными на стендах. Т.е. в такой постановке имеется возможность рассчитать производительность вентиляторов при их работе «на месте» и оценить снижение их производительности из-за негативного влияния друг на друга или других причин.

Так как воздух забирается вентиляторами через боковые входы и далее поток резко меняет направление и выходит снизу, течение на входе в вентиляторы имеет выраженную окружную (относительно оси вентиляторов) неравномерность. Поэтому в расчетную область для каждого вентилятора включена вся область 360º, а не один межлопастной канал (сектор).

Для моделирования течения в вентиляторах используется специальная модель Frame Motion. При таком подходе течение в вентиляторах рассчитывается в относительной системе координат, вращающейся со скоростью 1050 об/мин. Cнеподвижными областями течение «сшивается» через неконформные интерфейсы.

Расчетная сетка

Для расчетов применялась сетка с полиэдральными элементами с призматическими слоями на поверхностях лопастей вентиляторов.

Результаты

Выполнены следующие расчеты.

Вариант 1: часть двигателя занята воздухом.

Вариант 2: нет частей двигателя, занятых воздухом.

Вариант 3: часть двигателя занята воздухом, отключен правый вентилятор.

Вариант 4: нет частей двигателя, занятых воздухом, отключен правый вентилятор.

Вариант 5: часть двигателя занята воздухом, отключен левый вентилятор.

Вариант 6: нет частей двигателя, занятых воздухом, отключен левый вентилятор.

Рис. 5. Характеристики вентилятора

Рис. 6. Векторы скорости в среднем сечении подкапотного пространства по центру вентиляторов (вариант 1)

Рис. 7. Распределение относительного давления в среднем сечении подкапотного пространства по центру вентиляторов (вариант 1)

Рис. 8. Линии тока, визуализирующие рециркуляцию воздуха из подкапотного пространства на входе в правый радиатор

Рис. 9. Вектора относительной скорости в среднем по высоте лопасти сечении межлопаточного канала вентилятора (вариант 1) 

Результаты CFD расчета

1. На рис. 5 приведены характеристики вентиляторов, предоставленные производителем.  Там же отмечена часть характеристики, пересчитанная на скорость вращения 1050 об/мин по теории подобия, и ожидаемая рабочая точка (пересечение характеристики вентилятора и характеристики сети). Красным отмечена рабочая точка, полученная в результате расчетов (среднее значение для первых двух вариантов). Как видно из рисунка,  наблюдается снижение производительности вентиляторов по сравнению с данными характеристики производителя. По сравнению с ожидаемой по характеристикам производителя производительностью на скорости вращения 1050 об/мин  снижение производительности вентиляторов в условиях подкапотного пространства может доходить до 40%.

Стоит отметить, что так как данная работа носит демонстрационный характер, то для экономии времени и ресурсов расчеты проведены на достаточно грубой сетке и без детальной верификации модели. А это может приводить к некоторой погрешности в количественных результатах расчета. Так, например, грубая сетка вблизи поверхности лопастей вентилятора может привести к перепредсказыванию влияния турбулентной вязкости в этой области, утолщению пограничного слоя, сужению эффективного проходного сечения межлопастного канала, и снижению производительности вентиляторов, полученной в расчете, по сравнению с реальной.

Для проверки результатов CFD расчетов пересчитана характеристика вентиляторов вблизи рабочей точки для скорости вращения 900 об/мин.  Для этого проведено моделирование течения в проточной части вентилятора вне сети. Характер расходно-напорной зависимости в районе рабочей точки воспроизводится в CFD расчете с данным сеточным разрешением модели. Отклонение расчетной характеристики от данных производителя находится в пределах 15% (Рис. 5).  Расхождение может быть связно как с недостаточным сеточным разрешением модели в CFD расчете, так и с тем, что нет точной информации о стенде, на котором проводились испытания производителем, точных местах замера давления перед и после вентилятора и т.д.  В целом, согласование расчета с экспериментом может считаться вполне удовлетворительным с учетом грубости расчетной сетки в демонстрационной задаче. По результатам сравнения расчетной характеристики вентилятора с данными производителя можно заключить следующее: несмотря на то, что имеется вероятность искажения количественных результатов, вызванных тем, что CFD расчет был выполнен на достаточно грубой сетке, основная тенденция значительного снижения производительности вентиляторов в условиях подкапотного пространства  скорее всего будет иметь место в реальности.

2. Для того чтобы выяснить, является ли снижение производительности следствием негативного влияния вентиляторов друг на друга, выполнен следующий численный эксперимент – по очереди был отключен каждый из вентиляторов. Целью было найти относительное изменение расходов при работе двух вентиляторов и в ситуации, когда один из них отключен. При этом предполагалось не привязываться к абсолютным значениям расходов и не зависеть от точности расчетной модели. По итогам расчетов отключение одного из вентиляторов не привело к существенному повышению производительности второго. На рисунках приведены распределения векторов скорости и поле давления в среднем сечении подкапотного пространства. Визуально отключение одного из вентиляторов ни в одном из случаев не приводит к существенному изменению картины течения в области второго работающего вентилятора.

Можно предположить, что снижение производительности вентиляторов не является следствием негативного влияния вентиляторов друг на друга. Возможно, снижение производительности вентиляторов связано с особенностями установки вентиляторов. А именно, с тем, что свободный выход из вентилятора затенен слишком близко расположенным двигателем, что препятствует нормальной работе вентилятора.  Для более точного установления причины снижения производительности необходимо проведение дополнительных исследований. 

3. Из полученных и приведенных на рисунках результатов видно, что в области входа на левый вентилятор за ним образуется зона рециркуляции и воздух выходит наружу. Стоит отметить, что воздух выходит из подкапотного пространства, уже пройдя вентилятор. Аналогичная зона рециркуляции перед правым вентилятором не приводит к существенному выходу воздуха наружу, так как в этом случае путь ему преграждается корпусом. Значения производительности вентиляторов при этом одинаковые. Можно предположить, что эта рециркуляция не оказывает существенного влияния на производительность вентиляторов.  Однако, она может снижать эффективность охлаждения двигателя, так как горячий воздух не будет в достаточной мере сменяться холодным. Для снижения рециркуляции воздуха можно попробовать перекрыть часть входа на радиатор. Для точных рекомендаций требуются дополнительные исследования.

Заключение

1. В работе рассчитаны значения расходов через вентиляторы для разных вариантов расчета. Среднее значение производительности вентиляторов, полученное в результате расчета, отмечено на Рис. 5.  Наблюдается существенное снижение производительности вентиляторов по сравнению с данными характеристик производителя. Количественную погрешность (в пределах 15%)  может вносить то, что в демонстрационной задаче расчет был проведен на достаточно грубой сетке с целью  экономии времени и ресурсов.  Однако, это не влияет на качественную картину и основная тенденция существенного снижения производительности имеет место быть.

2. На основании анализа качественной картины течения можно также заключить, что снижение производительности вентиляторов не является следствием негативного влияния вентиляторов друг на друга. Возможно, снижение производительности вентиляторов связано с неправильной установкой вентиляторов. А именно с тем, что свободный выход из вентилятора затенен слишком близко расположенным двигателем, что препятствует его нормальной работе. Следующим шагом в CFD исследовании может стать изучение влияния расстояния до двигателя на производительность вентилятора и изыскание возможностей для его увеличения в случае необходимости.  Это исследование может быть проведено на грубой сетке без привлечения больших вычислительных ресурсов.

3. В области входа на левый вентилятор наблюдается рециркуляция воздуха из подкапотного пространства. По результатам расчета можно предположить, что эта рециркуляция не оказывает существенного влияния на производительность вентиляторов. Однако, она может снижать эффективность охлаждения двигателя, так как горячий воздух не будет в достаточной мере сменяться холодным. Для снижения рециркуляции воздуха можно попробовать перекрыть часть входа на радиатор. Для точных рекомендаций требуются дополнительные исследования.

4. В модели не учитывается вклад естественно конвективного течения воздуха за счет градиента плотности в поле разных температур.  Чтобы учесть вклад этой составляющей, необходимо решать задачу с учетом теплообмена.

5. Для получения более точных количественных значений расходов через вентиляторы требуется провести  верификацию расчетной модели, провести исследование на сеточную сходимость и получить сеточно-независимое решение.