冷却模块风阻计算及冷却风扇匹配校核

2024年2月21日发(作者：答辩意见)

2017/06总第496期冷却模块风阻计算及冷却风扇匹配校核魏哲雷，吕 昌，王明燕（徐工集团江苏徐州工程机械研究院，江苏 徐州 221004）［摘要］以某款工程车辆冷却模块为研究对象，通过风洞实验并经二项式拟合获得冷却模块单体风阻曲线，经过代数叠加计算得到冷却模块整体风阻曲线，联合风扇性能曲线，确定风扇工作点，并与台架测试结果对比验证。结果显示，所形成的计算方法可以指导整车冷却模块和冷却风扇匹配选型。［关键词］冷却模块；风阻计算；冷却风扇；匹配选型［中图分类号］TK42 ［文献标识码］B ［文章编码］1001-554X（2017）06-0073-03Cooling module wind resistance calculation and cooling fan matching check

WEI Zhe-lei，LYU chang，WANG Ming-yan工程车辆发动机普遍采用风扇和散热器冷却装置。为使发动机功率有效发挥和改善燃油经济性，发动机又广泛采用增压中冷技术工程机械的大多执行元件依靠液压动力来提供能量，一般还要对液压油进行冷却。考虑到整车装配空间的限制，将散热器和中冷器、液压油散热器集成为一个组件，即冷却模块，通过冷却风扇提供的冷却空气将冷却水、增压空气及液压油的热量传入大气。冷却模块与冷却风扇的匹配选型，尽管目前可以借助商业仿真软件进行精确的计算和判定，但多数设计人员还是按照经验来计算和选型。本文通过风洞实验获取冷却模块单体的性能参数，通过公式拟合及代数叠加的计算方法得到冷却模块风阻，结合冷却风扇静压-风量曲线，确定冷却风扇工作点。参照工程机械用冷却风扇相关标准［1］，搭建物理台架测量冷却模块和冷却风扇匹配风量，校核匹配选型，从而为冷却模块的冷却风扇匹配选型提供了一套理论计算联合实验验证的有效方法。参数表1 冷却模块单体芯子结构尺寸水散热器中冷器液压油散热器芯子尺1185×970×113970×397×120970×784×120寸/mm芯子迎风面积/m21.1460.3850.760中冷水器散液热压油器散热器风向图1 某工程车辆冷却模块简化模型同时三者芯子进风面积满足S水散热器≈S中冷器+S液压油散热器 （1）

借助散热器风洞实验并通过多项式ΔP=AGa2+BGa （2）

DOI:10.14189/1981.2017.06.007［收稿日期］2017-03-24［通讯地址］魏哲雷，江苏省徐州市金山桥经济开发区驮蓝山路26号1 冷却模块单体风阻实验某款工程车辆冷却模块是由中冷器和液压油散热器并联之后再与水散热器串联组成，各单体芯子结构尺寸见表1，简化模型如图1所示。冷却风扇采用发动机直驱形式，吸风布置。CONSTRUCTION MACHINERY73Copyright©博看网 . All Rights Rerved.

DESIGN & CALCULATION设计计算式中 ΔP——风阻，Pa； Ga——单位重量风速，kg/（m2· s）；

A、B——多项式系数，为定值，无量纲。拟合得到三者的风阻曲线如图2所示。

800800假定流经中冷器及液压油散热器的冷却空气全部流经水散热器，由流体力学理论可知，冷却空气在冷却模块中流动时，在进口和出口截面之间的各处压力降都是相同的，所以冷却空气流过上部和下部的流速是不同的，流过水散热器和中冷器的重叠部分因阻力大其流速相对较小，而流过水散热器和液压油散热器的重叠部分因阻力小其流速相对

较大。根据公式（2），令ΔP=0Pa、200Pa、400Pa、600Pa、800Pa、1000Pa、1200Pa、1400Pa，可以分别求出冷却空气流经水散热器和中冷器的重叠部分及水散热器和液压油散热器的重叠部分的单位重量风速。根据冷却模块单体各自的芯子面积，即可求出两重叠部分的重量风速，根据公式（4）可以求出冷却模块总的重量风速，如表2所示，绘制冷却模块总的风阻-重量风速曲线如图4所示。Ma冷却冷模块单体风阻

P

Pa却模块单体风阻△/P/a△P7681冷却空气单位重量风速Ga/（kg/（m·s））冷却空气单位重量风速（kg/（m·s））Ga水散热器水散热器中冷器中冷器1414液压油散热器液压油散热器图2 冷却模块单体风阻曲线2 冷却模块总风阻计算对于冷却模块迎风面积全覆盖的情况，某冷却空气流量下的总阻力等于冷却模块单体在相应流量下的阻力之和［2］，即ΔPfΔPi

i1nGaA

iii1n （4） （3）冷却模块在某冷却空气流量下总的式中

Ma——

重量风速，kg/s； Gai——

单体重合部分在某冷却空气流量下的重量风速，kg/（m2 · s）； Ai——单体进风面积，m2。表2 重量风速计算结果水散热器和液压油冷却模块散热器风阻总重量风单位重量单位重量速重量风速重量风速风速风速水散热器和中冷器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单体在某冷却空气流量下的阻力，Pa；式中 ΔPi——

单体重合部分在某冷却空气流量下 ΔPf——

的总阻力，Pa。利用公式（3）可以计算得到中冷器与水散热器重叠部分在某冷却空气流量下的总阻力及液压油散热器与水散热器重叠部分在某冷却空气流量下的总阻力，结果如图3所示。从图3可以看出，在某冷却空气流量下，中冷器与水散热器重叠部分的总阻力比液压油散热器与水散热器重叠部分的总阻力略大，即同一冷却空气单位重量风速下，冷却模块的上部比下部风阻要大一些。1614冷却空气单位重量风速Ga/ (kg/(m·s) )水散热器和中冷器水散热器和液压油散热器1200

1400图3 冷却模块重叠部分风阻曲线

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2017/06总第496期16001400Δ风阻

P

/pa参考JB/T 7697-2013《工程机械用金属冷却风扇技术条件》标准，搭建物理实验台架，同步进行了风速测量，如图6所示，平均风量为Ma3=10.96kg/s。将台架实验结果10.96kg/s与计算结果11.41kg/s进行对比，可以看出，三者的误差为3.95%，误差主要来源于冷却模块的简化及风阻2 46810122冷却模块总重量风速Ga/ (kg/(m·s) )0 0 0曲线拟合误差。所以计算结果与实验结果吻合良好，可以指导工程车辆冷却风扇与冷却模块的匹配

选型。d图4 冷却模块总的风阻-重量风速曲线图3 冷却模块与冷却风扇匹配校核A散热器厂家明确要求，该冷却模块在冷却风扇转速为2100rpm时，冷却风扇所要提供的冷却风量Ma1=11.37kg/s，所要提供的静压ΔP1=820Pa，散热器厂家推荐一款冷却风扇可供选配。将得到的冷却模块总的风阻-重量风速曲线绘制在选配的风扇静压—风量曲线上，两曲线的交点即为风扇工作点，如图5所示，此时，风量Ma2=11.41kg/s，静压ΔP2=1019.1Pa。可以看出，风量与散热器厂家要求的风量基本相同，静压比散热器厂家要求略高，是因为整车冷却系统的阻力除散热器阻力外还包括进风栅格、导风罩以及发动机舱等的阻力。有文献指出，工程车辆冷却系统的阻力ΔPZ为冷却模块阻力ΔP的1.1～2.1倍［3］。

2500500风速测量面图6 整车平均风量测试示意图4 结论（1）本文提出了一种工程车辆冷却模块匹配冷却风扇的方法。该方法是基于冷却模块单体实验结果，通过二项式拟合及代数叠加计算得到工程车辆冷却模块风阻曲线，并联合风扇性能曲线，得到并确定冷却风扇工作点。（2）经过台架实验测试，结果显示误差在4%以内，可以满足工程应用需要，从而验证了该计算方法的准确性，能够为冷却模块单体组合设计以及冷却系统总体设计提供指导。［参考文献］［1］JB/T7697-2013. 工程机械用金属冷却风扇技术条件［S］.16风量 (kg/s)Q冷却风扇风量-静压曲线冷却模块风量-总阻力曲线［2］ 王兆煖. 散热器、中冷器和风扇的选型校核计算［J］. 柴油机设计与制造，2009，4：20-31.［3］ 杨连生. 内燃机设计［Ｍ］. 北京：中国农业机械出版社，1994．图5 风扇与冷却模块工作曲线图CONSTRUCTION MACHINERY75Copyright©博看网 . All Rights Rerved.