11 - 2018

Моделирование теплового состояния блока питания и требования к воздушной системе охлаждения

Колио Кожухаров (Kolio Kojouharov)
Генеральный директор компании «Termoflow.com»

SYN TRAC — абсолютно новое транспортное средство, разработанное австрийской компанией SYN TRAC GmbH, которое предназначено для применения в самых различных областях. Это не просто более совершенная и многоцелевая машина — по своим характеристикам она превосходит все аналоги, представленные сегодня на рынке. Инновационный метод взаимодействия ее модулей позволяет осуществлять автоматическое соединение элементов гидравлической и пневматической систем, электрической/CAN-шины, устройства отбора мощности (PTO).

Использование транспортного средства и навесного оборудования для него позволяет добиваться максимальной эффективности. Инженеры SYN TRAC создали превосходную рабочую машину. Они смогли реализовать широкий спектр различных конфигураций, обеспечили возможность применения их разработки для решения разнообразных задач в области сельского хозяйства, транспортной инфраструктуры, коммунального хозяйства, лесной промышленности, а также таких специальных задач, как ликвидация последствий стихийных бедствий. Благодаря автоматизации процесса соединения водитель может не покидать кабину транспортного средства и избавлен от необходимости входить в опасную зону. Кроме того, это позволяет значительно снизить затраты рабочего времени.

При создании новой машины изначально была задана самая высокая планка в части прочности, стоимости, готовности к серийному производству, надежности при решении сельскохозяйственных задач, а также соответствия требованиям, предъявляемым к серийной автомобильной технике.

С самого начала работы над проектом инженеры SYN TRAC широко использовали цифровое прототипирование и моделирование. Одной из важнейших проблем оказалось терморегулирование блока питания силовой установки и обеспечение теплового баланса в двигательном отсеке. Необходимо было реализовать требуемое распределение охлаждающих потоков воздуха, подобрать наилучшую производительность вентилятора и оптимально разместить радиатор в ограниченном пространстве сложной геометрии. Все это крайне важно для правильного определения перепада давления в двигательном отсеке (импеданс системы), а следовательно, для выбора подходящего вентилятора. В поисках наилучшего решения команда SYN TRAC обратилась к помощи нашей компании «Termoflow.com», где работают опытные консультанты в области терморегулирования, профессионально владеющие возможностями расчетных систем. Компания «Termoflow.com» предложила использовать при проектировании методы вычислительной гидродинамики (CFD), а также в тесном взаимодействии с SYN TRAC создала программу­симулятор. Кроме того, чтобы определить лучшее направление оптимизации, специалисты «Termoflow.com» изучили тепловой баланс и смоделировали распределение охлаждающего воздуха в двигательном отсеке для двух режимов работы: при скорости обтекания 0 и 10 км/ч.

Были определены следующие данные:

  • распределение скорости охлаждающего потока воздуха;
  • распределение давления охлаждающего потока воздуха;
  • распределение температуры охлаждающего воздуха;
  • потери давления. Перепад давления охлаждающего потока воздуха в зависимости от объемного расхода;
  • температура охлаждающего потока воздуха на входе;
  • распределение скорости на выходе из радиатора.

Понимая всю сложность работы с крайне непростой геометрией в условиях сжатых сроков, «Termoflow.com» воспользовалась программным инструментом FloEFD™ и его эффективным методом построения сетки, а также широким диапазоном физических моделей. Понадобился и богатый опыт применения этого инструмента, полученный при работе над другими проектами.

Одним из основных преимуществ такого подхода стала возможность прогнозирования импеданса системы, благодаря чему была определена оптимальная расчетная точка системы охлаждения (рис. 1). Поскольку машина проектировалась для применения в условиях запыленности, двигательный отсек требовалось сделать максимально герметичным, но при этом обеспечить необходимое распределение воздушных потоков для эффективного охлаждения на всех режимах работы двигателя.

Рис. 1. Зависимость распределения охлаждающего потока воздуха от потерь давления

Рис. 1. Зависимость распределения охлаждающего потока воздуха от потерь давления

Моделирование с помощью методов вычислительной гидродинамики выполнялось для температуры окружающей среды 45 °C,  а температура двигателя и другие параметры были установлены в качестве граничных значений (рис. 2).

Рис. 2. Граничные условия

Рис. 2. Граничные условия

Одной из основных задач стала разработка системы воздушного охлаждения, а также охлаждения воды и масла, которая должна иметь мощность охлаждения 30­120 кВт. Требовалось обеспечить наиболее свободный забор и выпуск воздуха, а для повышения эффективности системы избежать забора воздуха, температура которого значительно выше окружающего.

Инженеры, сравнив множество изображений, полученных при моделировании режимов работы средствами FloEFD, досконально изучили распределение воздушных потоков и температурных полей.

На рис. 3 изображена область циркуляции воздушного потока при движении транспортного средства на скорости 10 км/ч. Когда скорость движения транспортного средства равна нулю, воздух циркулирует только за счет вентиляторов.

Рис. 3. Распределение воздушных потоков (вид сзади)

Рис. 3. Распределение воздушных потоков (вид сзади)

Рис. 4. Распределение потоков воздуха в ходовой части машины

Рис. 4. Распределение потоков воздуха в ходовой части машины

Рис. 5. Анализ зон избыточного давления (а-б)

Рис. 5. Анализ зон избыточного давления (а-б)

Рис. 5. Анализ зон избыточного давления (а-б)

На основе этих результатов были построены кривые сопротивления потока (перепад давления охлаждающего воздуха в зависимости от объемного расхода) для различных условий работы, определены параметры вентиляторов с учетом условий их установки и требований к размещению. Другим вопросом, рассмотренным инженерами на раннем этапе проектирования, стала мощность привода для вентиляторов — от этой величины также зависит общая эффективность транспортного средства.

Рис. 6. Анализ распределения температуры (а-г)

Рис. 6. Анализ распределения температуры (а-г)

Рис. 6. Анализ распределения температуры (а-г)

Рис. 6. Анализ распределения температуры (а-г)

Рис. 6. Анализ распределения температуры (а-г)

Инженеры SYN TRAC во взаимодействии с компанией «Termoflow.com» глубоко проработали распределение воздушных потоков и температурных полей (рис. 4­6) даже для тех зон, которые невидимы без моделирования, и во многом благодаря этому смогли предложить рынку действительно уникальное изделие. 

Опубликовано: Powerpack Thermal Simulation & Cooling air Requirements. — Engineering Edge (Mentor, a Siemens Business), Vol. 07, Issue 01, 2018, pp. 14­17.