高原車輛冷卻系統(tǒng)參數(shù)化仿真研究

孫曉霞，邵春鳴，王國柱，楊德友，劉建峰

(中國北方車輛研究所，北京 100072)

我國地域遼闊，是世界上高原面積占有率最大的國家，海拔1000～2000 m的高原面積占國土面積的25%，2000～3000 m高原面積占7%，3000 m以上占26%.其中云貴、青藏、帕米爾高原面積總計2.7×106km2，平均海拔在2000～4500 m［1］.環(huán)境溫度和壓力隨著海拔高度的上升而逐漸降低，相應地大氣密度也隨之降低，通常情況下海拔高度每上升1000 m，大氣密度將降低8%～9%，海拔4000 m以上時大氣密度下降幅度較大，從而造成高原環(huán)境下，雖然進入車輛冷卻系統(tǒng)的大氣體積流量不會發(fā)生太大的變化，但質(zhì)量流量會隨著海拔高度的升高而顯著降低，導致冷卻系統(tǒng)氣側(cè)的冷卻能力也將隨著海拔高度的升高而急劇下降，使得車輛在高原行駛過程中經(jīng)常出現(xiàn)過熱的現(xiàn)象.針對這一特點，開展了某型特種車輛的高原適應性仿真研究.

以某型特種車輛冷卻系統(tǒng)為研究對象，分析高原環(huán)境下冷卻系統(tǒng)性能的影響因素.在理論分析的基礎上，根據(jù)冷卻方案在GT平臺下建立冷卻系統(tǒng)一維仿真模型，通過參數(shù)化仿真定量研究高原情況下冷卻系統(tǒng)的性能變化.

1 冷卻系統(tǒng)傳熱性能分析

1.1 冷卻系統(tǒng)方案

根據(jù)該車輛熱源部件的工作需求，冷卻系統(tǒng)采用轉(zhuǎn)向油散熱器、傳動油散熱器和發(fā)動機水散熱器并聯(lián)布置方案，如圖1所示.氣路由兩個混流排風扇來驅(qū)動循環(huán)，最終熱量經(jīng)由散熱器模塊散到外界環(huán)境中.

圖1 冷卻系統(tǒng)原理圖

1.2 高原環(huán)境大氣熱力學參數(shù)對冷卻系統(tǒng)冷卻能力的影響

冷卻系統(tǒng)中采用板翅式緊湊散熱器，并采用混流排風扇強制冷卻方式.

散熱器內(nèi)部冷流(空氣)和熱流(冷卻液)的冷卻傳熱可采用公式(1)～(3)進行計算［2］.

式中:Qa、Qc和Qr分別為空氣、冷卻液和散熱器的散熱量;ma和mc分別為空氣和冷卻液的質(zhì)量流量;cpa和cpc分別為空氣和冷卻液的比熱容;T'a和T″a分別為空氣入口和出口溫度;T'c和T″c分別為冷卻液入口和出口溫度.

式中:Kr為散熱器的傳熱系數(shù);Ar為散熱器的傳熱面積;ΔTm為散熱器的對數(shù)平均溫差.

板翅式散熱器和大氣接觸的散熱翅片，在傳熱計算上可以當作肋處理，傳熱系數(shù)為:

式中:hh和hc分別為熱流體與內(nèi)側(cè)光表面之間的換熱系數(shù)和外側(cè)冷流體與肋表面之間的換熱系數(shù);δ和λ分別為肋的厚度及其導熱系數(shù);β為肋化系數(shù);η為肋總效率.

綜上可得高原環(huán)境對于冷卻系統(tǒng)的影響主要表現(xiàn)在以下幾個方面:

1)海拔高度對對數(shù)平均溫差的影響.隨著海拔高度的升高，環(huán)境溫度即散熱器冷側(cè)入口溫度降低使得散熱器的對數(shù)平均溫差升高，有利于提高散熱器的散熱量.

2)海拔高度對冷卻排風扇散熱能力的影響.隨著海拔高度的升高，環(huán)境壓力降低使得大氣密度降低，在假設體積流量不變的情況下，風扇質(zhì)量流量隨密度降低而降低，導致冷卻系統(tǒng)氣側(cè)散熱能力降低，系統(tǒng)熱平衡溫度升高.

3)海拔高度對散熱器自身傳熱系數(shù)的影響.散熱器的散熱能力主要取決于傳熱系數(shù)Kr，而δ、λ、β和η等參數(shù)由散熱器結(jié)構(gòu)決定，與大氣熱力學參數(shù)無關(guān);熱側(cè)流體在管內(nèi)流動，因此熱側(cè)的對流換熱系數(shù)也與大氣狀態(tài)無關(guān)，所以影響傳熱系數(shù)Kr的主要因素是大氣側(cè)即冷側(cè)換熱系數(shù)hc的變化.

換熱系數(shù)hc與各物理量的關(guān)系可由下述準則方程導出［3］.努塞爾數(shù)的定義式為:

式中:de為當量直徑.

在工程計算中，常采用傳熱因子j計算換熱系數(shù)，j與Nu的關(guān)系式為:

式中:Re為雷諾數(shù);Pr為普朗特數(shù).

綜合公式(4)和公式(5)可得:

對于空氣側(cè)來說，流體的流動狀態(tài)一般為紊流.根據(jù)散熱器中散熱帶形狀和結(jié)構(gòu)的不同，傳熱因子j的表達式也不同，但都具有共同的規(guī)律性即與Re的指數(shù)成比例關(guān)系［4-6］.

空氣的Pr約為0.7，可視為常數(shù)，綜合上述公式并合并常數(shù)項為C，可得:

式中:C和n為無因次常數(shù).

雷諾數(shù)的定義式為:

式中:u為空氣流速;l為特征長度(當量直徑de);μ為空氣的動力粘度，整理可得:

其中，de與海拔高度無關(guān)，u、μ和λ隨海拔高度的變化不大，只有空氣密度ρ隨海拔高度的上升而明顯減小，從而使得換熱系數(shù)hc隨海拔高度的升高而顯著減小，因而散熱器的傳熱系數(shù)Kr隨海拔高度的升高而減小.

綜合以上定性分析，高原情況下，冷卻系統(tǒng)散熱能力的變化需要綜合考慮上述3方面的因素，具體評價其散熱能力的升高或下降需要定量地研究該3者對系統(tǒng)的影響，因此本次研究中基于GT平臺下的熱管理模塊，搭建整車冷卻系統(tǒng)模型，通過仿真對高原環(huán)境下冷卻系統(tǒng)的散熱能力的變化進行定量的研究.

2 冷卻系統(tǒng)仿真模型

根據(jù)系統(tǒng)方案，在GT平臺下搭建車輛冷卻系統(tǒng)仿真模型，如圖2所示.通過該仿真模型綜合匹配水側(cè)和氣側(cè)的壓力和流量分配，研究系統(tǒng)傳熱過程中及達到熱平衡后的綜合散熱情況.

圖2 冷卻系統(tǒng)仿真模型

2.1 外界環(huán)境模型

GT平臺下的環(huán)境模塊通過公式(10)建立外界環(huán)境模型，該模型可以模擬計算不同海拔高度條件下大氣的溫度和壓力等熱力學參數(shù)［7］.

式中:T為折算溫度;T0為由特征溫度決定的初始溫度;ΔZ為海拔高度與參考海拔高度的高度差;P為折算壓力;P0為由特征壓力決定的初始壓力;g為重力加速度;R為氣體常數(shù).

2.2 水泵模型

冷卻系統(tǒng)中水泵由發(fā)動機機械驅(qū)動.仿真中采用PumpSimple模塊基于公式(11)建立水泵模型.

式中:V為水泵體積流量;V0為水泵初始體積流量;Vr為水泵額定體積流量;Δp為水泵揚程;Δp0為水泵初始揚程;Δpr為水泵額定揚程;a為由水泵額定體積流量、初始揚程和額定揚程決定的系數(shù).

2.3 風扇模型

冷卻系統(tǒng)采用單一混流式排風扇，同樣應用試驗數(shù)據(jù)建立風扇仿真模型.仿真進行前，GT環(huán)境會對輸入的風扇特性數(shù)據(jù)進行相應的擬合處理，具體如圖3所示.該方法建立的風扇模型重點放在風扇的輸入、輸出特性上，而略去其內(nèi)部復雜的物理過程，該建模方法的優(yōu)點是其適用于所有類型的風扇.

圖3 風扇特性曲線

2.4 散熱器模型

仿真中散熱器通過HxMaster和HxSlave模塊進行建模.該模型可以應用于平行流、對流以及交叉流散熱器.當HxMaster模塊和HxSlave模塊配對連接完成后，可針對不同流體和散熱器結(jié)構(gòu)參數(shù)進行傳熱計算，具體如公式(12)和公式(13)所示.

式中:Tw為壁面溫度;Q為散熱量;h為對流換熱系數(shù);A為換熱面積;ΔT為流體和壁面間的對數(shù)平均溫差;ρw為壁面材料的密度;V為壁面材料的體積;Cpw為壁面材料比熱容;M、S分別代表HxMaster模塊和HxSlave模塊.

流體和壁面之間的換熱量通過相應的努塞爾數(shù)關(guān)聯(lián)式定義的對流換熱系數(shù)來計算:

式中:U為流體流速;L為參考長度;k為流體導熱系數(shù);ρf為流體密度;μf為流體的動力粘度;cpf為流體比熱容;m為無因次常數(shù).

3 仿真結(jié)果分析

根據(jù)所建立的仿真模型，研究不同海拔高度(0～4500 m)情況下冷卻系統(tǒng)散熱影響因素的變化關(guān)系.仿真過程中建立以下兩個假設:1)通過優(yōu)化匹配或進氣補償?shù)仁侄危沟冒l(fā)動機在高原工況下不降低功率運行，發(fā)動機散熱量保持不變;2)當達到熱平衡狀態(tài)后，風扇的體積流量不隨海拔高度的變化而改變.

圖4是不同海拔高度下的大氣密度、壓力及外界環(huán)境溫度的變化曲線.環(huán)境溫度隨海拔高度的升高而降低，從而使得散熱器氣側(cè)入口溫度降低，導致對數(shù)平均溫差有增大的趨勢.大氣密度也隨海拔高度的升高而降低，從而使得散熱器氣側(cè)對流換熱系數(shù)降低，導致散熱器的傳熱系數(shù)降低.海拔1000～4500 m情況下，發(fā)動機水散熱器、轉(zhuǎn)向油散熱器及傳動油散熱器的傳熱系數(shù)比平原情況下降低了約8.2%～35.3%、8.1%～34.3%及7.5%～33.8%，如圖5所示.同時，隨著密度的降低，在假定風扇體積流量不變的情況下，風扇質(zhì)量流量也隨之降低，如圖6所示.風扇質(zhì)量流量降低導致流經(jīng)散熱器后，氣側(cè)的溫度變化增大，從而導致對數(shù)平均溫差有減小的趨勢.同時氣側(cè)的散熱能力降低還導致液側(cè)熱平衡溫度的升高，從而導致對數(shù)平均溫差有增大的趨勢.在散熱器氣側(cè)入口溫度降低、出口溫度升高及液側(cè)入口溫度升高的綜合作用下，散熱器對數(shù)平均溫差隨海拔高度的升高而增大.海拔1000～4500 m情況下，發(fā)動機水散熱器、轉(zhuǎn)向油散熱器及傳動油散熱器的對數(shù)平均溫差分別比平原情況下增加了約8.2%～50.6%、5.7%～33.6%及5.8%～34.0%，如圖7所示.

圖4 不同海拔高度下大氣密度、壓力及外界環(huán)境溫度的變化

圖5 不同海拔高度下散熱器傳熱系數(shù)比平原降低百分比變化曲線

圖6 不同海拔高度下風扇質(zhì)量流量降低百分比變化曲線

圖7 不同海拔高度下散熱器對數(shù)平均溫差比平原增大百分比變化曲線

在對數(shù)平均溫差增大和傳熱系數(shù)降低的綜合影響下，發(fā)動機水散熱器、轉(zhuǎn)向油散熱器及傳動油散熱器的散熱能力隨著海拔高度的升高而降低，如圖8所示.散熱器散熱能力的降低導致系統(tǒng)達到熱平衡狀態(tài)時液側(cè)的熱平衡溫度升高.仿真結(jié)果表明，對于該并聯(lián)散熱結(jié)構(gòu)而言，高原情況下(1000～4500 m)，由于油散的設計裕度較大，轉(zhuǎn)向油和傳動油的散熱均可以滿足設計要求，在海拔高度4500 m情況下，轉(zhuǎn)向油溫為113°C(比平原升高了4°C)，低于設計要求115°C，如圖9所示;傳動油溫為133°C(比平原升高了10°C)，低于設計要求135°C，如圖10所示.但是水系中，發(fā)動機出口溫度隨著海拔的升高而升高，超出了發(fā)動機的散熱設計約束110°C，并且變化為非線性的.在3000 m以下時，溫度升高較為緩慢，3000以上情況下，溫度隨海拔高度的升高而急劇升高，如圖11所示.

圖8 不同海拔高度下散熱器散熱能力比平原降低百分比變化曲線

圖9 不同海拔高度下轉(zhuǎn)向油溫變化曲線

圖10 不同海拔高度下傳動油溫變化曲線

圖11 不同海拔高度下發(fā)動機出口水溫變化曲線

變參數(shù)仿真中，通過假設發(fā)動機降功率運行熱負荷降低和假設風扇體積流量可調(diào)性增大兩種方式來降低系統(tǒng)熱平衡溫度，使其滿足設計要求.變發(fā)動機散熱量仿真結(jié)果表明，在3000～4500 m高原情況下，為了滿足系統(tǒng)的散熱需求，發(fā)動機散熱量分別需要降低為平原的88%～94%，具體對比關(guān)系如圖12所示.變風扇體積流量仿真結(jié)果表明，在3000～4500 m高原情況下，為了滿足系統(tǒng)的散熱需求，風扇的體積流量需要比調(diào)速前增加7.5%～15.2%，對比關(guān)系如圖13所示.

圖12 不同海拔高度下發(fā)動機熱負荷改變前后出口水溫變化曲線

圖13 不同海拔高度下風扇體積流量改變前后發(fā)動機出口水溫變化曲線

4 結(jié)論

1)以某型特種車輛冷卻系統(tǒng)為研究對象，分析了高原環(huán)境下冷卻系統(tǒng)散熱性能的影響因素.在理論分析的基礎上，根據(jù)冷卻方案通過試驗數(shù)據(jù)和數(shù)學模型相結(jié)合的方法在GT平臺下建立了一維冷卻系統(tǒng)仿真模型.平原情況下，該模型對冷卻系統(tǒng)的流量、溫度和壓力模擬與實際相符合，驗證了采用GT一維仿真的有效性和可行性.

2)通過參數(shù)化仿真，定量分析了高原環(huán)境下各參數(shù)對冷卻系統(tǒng)性能的影響關(guān)系.綜合各參數(shù)(散熱器對數(shù)平均溫差、傳熱系數(shù)以及風扇冷卻風量)變化對冷卻系統(tǒng)的影響，研究冷卻系統(tǒng)不同海拔高度下的適應能力.研究結(jié)果表明:對于該并聯(lián)散熱結(jié)構(gòu)，發(fā)動機水散熱器、轉(zhuǎn)向油散熱器及傳動油散熱器的散熱能力均隨著海拔高度的升高而下降.由于油散的設計裕度較大，在高原情況下仍可以滿足油路的散熱需求，但是水系的熱平衡溫度在高原情況下超出了發(fā)動機的散熱約束，導致發(fā)動機過熱.針對這一情況，通過變參數(shù)仿真定量研究了發(fā)動機熱負荷降低和風扇體積流量可調(diào)性增加兩種途徑解決發(fā)動機過熱問題.變參數(shù)仿真結(jié)果表明:在3000～4500 m高原情況下，為了滿足系統(tǒng)的散熱需求，發(fā)動機散熱量分別需要降低為平原的88%～94%;或者在發(fā)動機熱負荷不變的情況下，風扇體積流量需要比調(diào)速前增加7.5%～15.2%.

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