基于一三維耦合的裝甲車輛冷卻系統(tǒng)高原環(huán)境適應(yīng)性研究

曹元福，劉建峰，石 軍，趙春偉，張佳卉，周 麗，劉 洋

(中國北方車輛研究所，北京 100072)

我國海拔高度2000 m以上的高原約占國土面積的1/3.不同海拔高度條件下大氣的溫度和壓力等熱力學(xué)參數(shù)見表1.隨著海拔高度的上升，大氣壓力下降，空氣密度逐漸減小，年平均氣溫下降.其中，海拔每升高1000 m，氣壓下降約10%左右，空氣密度下降約6%～10%，年平均氣溫下降約5℃［1］.高原環(huán)境氣壓、氣溫和密度等的變化會引起車輛冷卻系統(tǒng)性能下降，進而導(dǎo)致發(fā)動機過熱、拉缸以至燒蝕等一系列問題，嚴(yán)重影響車輛的可靠性［2-4］.因此分析高海拔對車輛冷卻系統(tǒng)性能的影響，對合理設(shè)計和改進車輛冷卻系統(tǒng)，提高車輛的高原環(huán)境適應(yīng)性具有重要的意義.

本研究針對高原工況下車輛冷卻系統(tǒng)性能下降問題，以某車輛冷卻系統(tǒng)為研究對象，采用一三維順序耦合的計算方法，研究了高原環(huán)境對車輛冷卻系統(tǒng)性能的影響規(guī)律.

表1 不同海拔高度條件下大氣的溫度和壓力等熱力學(xué)參數(shù)

1 冷卻系統(tǒng)一三維耦合計算流程

首先建立車輛動力艙冷卻系統(tǒng)幾何模型，利用Fluent建立冷卻系統(tǒng)三維CFD仿真模型，通過仿真計算得到不同海拔高度下流經(jīng)散熱器的冷卻系統(tǒng)風(fēng)量.然后采用順序耦合的方法，將三維CFD仿真計算獲得的冷卻系統(tǒng)風(fēng)量作為一維性能仿真模型的輸入邊界條件，通過GT-Power建立冷卻系統(tǒng)的一維性能仿真模型，最終計算獲得不同海拔高度下冷卻系統(tǒng)的散熱性能.見圖1.

圖1 冷卻系統(tǒng)一三維耦合分析流程圖

2 三維動力艙空氣流動CFD仿真模型

該車輛冷卻系統(tǒng)主要由進氣百葉窗、散熱器、風(fēng)扇、排氣百葉窗、風(fēng)道等組成，系統(tǒng)采用混流式排風(fēng)扇進行強制冷卻，熱量經(jīng)由散熱器散到外界環(huán)境中.利用三維軟件建立該車輛動力艙冷卻風(fēng)道三維模型，見圖2.

圖2 動力艙冷卻風(fēng)道的幾何模型

2.1 風(fēng)扇模型

Fluent軟件提供了兩種風(fēng)扇性能計算的方法:多重參考系法 (MRF)和滑動網(wǎng)格法 (Sliding Mesh)［5］.滑動網(wǎng)格法比多重參考系法更為準(zhǔn)確，但它屬于非穩(wěn)態(tài)求解，占用大量的計算資源和計算時間.MRF方法是一種穩(wěn)態(tài)算法，在這種算法中，風(fēng)扇及其附近區(qū)域定義在旋轉(zhuǎn)參考系下，其它區(qū)域則定義在靜止參考系下，風(fēng)扇相對于旋轉(zhuǎn)參考系是靜止的.MRF方法對計算資源占用較少，精度也能滿足一般工程要求，因此采用MRF方法對風(fēng)扇性能進行預(yù)測［6］.

2.2 散熱器阻力模型

散熱器采用多孔介質(zhì)模型，其氣體流動阻力特性按冪律指數(shù)形式處理［5］:

式中:C0、C1由試驗數(shù)據(jù)擬合得到的常數(shù).

將入口設(shè)定為壓力入口邊界條件;將出口設(shè)定為壓力出口邊界條件;風(fēng)扇設(shè)定為旋轉(zhuǎn)區(qū)域，其轉(zhuǎn)速為5000 r/min.

3 一維冷卻系統(tǒng)性能仿真模型

本次研究是基于GT平臺下的熱管理模塊，搭建整車?yán)鋮s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.

該車輛冷卻系統(tǒng)水路包括發(fā)動機水套和發(fā)動機油冷器、水空中冷器、傳動箱油冷器以及水散熱器.具體冷卻系統(tǒng)原理如圖3所示.

政治權(quán)威也即政府的正當(dāng)性通常被看作國家的一種道德權(quán)力，這種權(quán)力要求自己管轄下的人民遵守自己制定的法律，但是這種權(quán)力行使的前提就是要求政府必須具有正當(dāng)性。政府正當(dāng)性和公民不服從是相伴的現(xiàn)象，正統(tǒng)國家要求公民對自己制定法律予以服從，首先要證明自身的正當(dāng)性，自身的證明從政府的角度而言，并不是單純理論上的抽象，契約論、非契約論和規(guī)范度理論都不足以成為政府具體形態(tài)下的標(biāo)準(zhǔn)，傳統(tǒng)政府的極端不公正或者壓制性行為都對政府正當(dāng)性產(chǎn)生重要影響。政府與公民的良性互動，有利于克服由路徑依賴形成的經(jīng)驗主義和專政偏執(zhí)主義帶來的弊端，公民與政府的關(guān)系因為民主的實現(xiàn)而得到改觀，兩者的“理性距離”獲得突破。

3.1 水泵模型

冷卻系統(tǒng)水路中水泵由發(fā)動機驅(qū)動.仿真中采用試驗建模法建立水泵模型，GT環(huán)境對輸入的水泵特性數(shù)據(jù)進行相應(yīng)地擬合處理.

3.2 散熱器傳熱模型

圖3 冷卻系統(tǒng)原理圖

仿真中散熱器通過HxMaster和HxSlave模塊進行建模.該模型可以應(yīng)用于平行流、對流以及交叉流散熱器.當(dāng)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(2)所示［7］.

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(yīng)的努塞爾數(shù)關(guān)聯(lián)式定義的對流換熱系數(shù)來計算.

4 仿真結(jié)果及分析

4.1 高原環(huán)境大氣熱力學(xué)參數(shù)對系統(tǒng)風(fēng)量的影響

圖4為流經(jīng)動力艙冷卻系統(tǒng)的空氣體積流量與質(zhì)量流量隨海拔高度的變化規(guī)律.在相同風(fēng)扇轉(zhuǎn)速下，動力艙中流經(jīng)冷卻系統(tǒng)的空氣體積流量隨海拔的升高略有下降，海拔每升高1000 m體積流量下降僅0.4%左右;因隨海拔的升高空氣密度明顯變小，導(dǎo)致流經(jīng)冷卻系統(tǒng)的空氣質(zhì)量流量下降相當(dāng)明顯，其中海拔每升高1000 m空氣質(zhì)量流量下降約9.3%，且高原4500 m下的冷卻系統(tǒng)空氣質(zhì)量流量僅為海拔0 m下的65%.

圖4 冷卻空氣體積流量與質(zhì)量流量隨海拔高度變化

由于高原的大氣壓力和空氣密度的降低，車輛冷卻系統(tǒng)風(fēng)側(cè)空氣質(zhì)量流量隨著海拔的升高逐漸下降，車輛冷卻系統(tǒng)的散熱能力變差，會導(dǎo)致車輛在高原行駛過程中會出現(xiàn)過熱現(xiàn)象.因此在高海拔工況下必須充分考慮由于風(fēng)側(cè)空氣質(zhì)量流量降低對冷卻系統(tǒng)帶來的問題.

圖5為風(fēng)扇靜壓升和冷卻系統(tǒng)風(fēng)側(cè)阻力隨海拔高度的變化規(guī)律.隨海拔高度的升高，風(fēng)扇靜壓升和系統(tǒng)風(fēng)側(cè)阻力均呈現(xiàn)明顯的下降趨勢.在風(fēng)扇轉(zhuǎn)速一定的條件下，風(fēng)扇葉片通道內(nèi)的流動情況沒有太大變化，性能下降主要由于高海拔氣壓低空氣密度小引起的;不同海拔高度下冷卻系統(tǒng)的空氣體積流量基本不變，空氣流速不變，由公式Δp＆ρv2看出高海拔下系統(tǒng)風(fēng)側(cè)阻力的下降也主要受空氣密度降低影響.

圖5 風(fēng)扇靜壓頭和系統(tǒng)風(fēng)側(cè)阻力隨海拔高度變化

由于冷卻系統(tǒng)對于散熱量的計算多基于對冷卻空氣質(zhì)量流量而來［8］，因此在高海拔工況下必須充分考慮由于風(fēng)扇質(zhì)量流量隨密度降低帶來的問題，冷卻系統(tǒng)中風(fēng)扇的選型設(shè)計需要同時參照風(fēng)扇的質(zhì)量流量-靜壓曲線進行，而不能只依靠原有標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下測得的風(fēng)扇體積流量-靜壓曲線.

整個冷卻風(fēng)道系統(tǒng)總阻力是冷卻空氣流經(jīng)進氣百葉窗、散熱器、風(fēng)道和排氣百葉窗的阻力總和.

圖6為進氣百葉窗、散熱器、風(fēng)道內(nèi)和排氣百葉窗等各部分空氣阻力損失隨海拔高度的變化結(jié)果對比.由圖6可以看出:進氣百葉窗阻力、風(fēng)道阻力、排氣百葉窗阻力等隨海拔升高下降比較明顯.

圖7(a)為過風(fēng)扇軸線截面的速度矢量圖，該裝甲車輛動力艙冷卻系統(tǒng)使用混流風(fēng)扇.風(fēng)扇出口空氣速度很高且直接撞擊到排風(fēng)筒蝸殼壁面上，因此造成了很大的阻力損失.圖7(b)為過排氣百葉窗的速度矢量圖，因排氣百葉窗的流通面積減小，流速較大，該處的阻力損失也比較大.結(jié)合圖6和圖7可以看出，在該裝甲車輛動力艙車?yán)鋮s系統(tǒng)中，在不同的海拔高度下蝸殼和排氣百葉窗的阻力損失所占比重均較大，為了提升冷卻系統(tǒng)的風(fēng)量，可以通過優(yōu)化風(fēng)道、降低系統(tǒng)阻力的方法實現(xiàn).

圖6 冷卻風(fēng)道各部分阻力隨海拔高度變化

圖7 過風(fēng)扇軸線截面的速度矢量圖和過排氣百葉窗的速度矢量圖

4.2 高原環(huán)境大氣熱力學(xué)參數(shù)對散熱能力的影響

冷卻系統(tǒng)中采用板翅式緊湊散熱器，并采用混流排風(fēng)扇強制冷卻方式.散熱器內(nèi)部冷流(空氣)和熱流(冷卻液)的冷卻傳熱可采用下式進行計算［9-10］:

式中:Qr為散熱器的散熱量;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.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.

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(dāng)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(dǎo)熱系數(shù);β為肋化系數(shù);η為肋總效率.

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(xué)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的主要因素是氣側(cè)換熱系數(shù)hc的變化［9-10］.

圖8為散熱器氣側(cè)換熱系數(shù)隨海拔高度的變化規(guī)律.位于海拔4500 m下的散熱器氣側(cè)換熱系數(shù)僅為平原下的70%.氣側(cè)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隨海拔高度的升高也減小，最終導(dǎo)致散熱量下降，冷卻效果變差.

圖8 氣候換熱系數(shù)隨海拔高度變化

圖9為冷卻系統(tǒng)散熱量隨海拔高度變化規(guī)律.一方面隨著海拔高度的升高空氣密度下降，冷卻系統(tǒng)風(fēng)側(cè)空氣質(zhì)量流量降低，散熱器的傳熱系數(shù)下降，導(dǎo)致系統(tǒng)換熱效果大大降低;但是另一方面隨著海拔高度的升高環(huán)境溫度降低，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.總體來看，隨海拔的升高散熱系統(tǒng)的性能下降.海拔在3000 m以下時，系統(tǒng)散熱量下降不多;超過3000 m后，系統(tǒng)散熱量劇烈下降，4500 m海拔下的散熱量僅為平原下的82%左右.因此，在冷卻系統(tǒng)設(shè)計時，為充分考慮高原環(huán)境導(dǎo)致冷卻系統(tǒng)的高原環(huán)境適應(yīng)性差的問題，需要開展降低發(fā)動機熱負荷、強化冷卻系統(tǒng)散熱能力以及冷卻系統(tǒng)智能化控制技術(shù)等研究.

圖9 冷卻系統(tǒng)散熱量隨海拔高度變化

5 結(jié)論

通過對變海拔環(huán)境下動力艙冷卻系統(tǒng)的建模，獲得了以下主要結(jié)論:

1)建立的車輛冷卻系統(tǒng)模型可預(yù)測海拔高度變化對冷卻系統(tǒng)性能的影響，同時可指導(dǎo)冷卻系統(tǒng)高原改進的設(shè)計與匹配;

2)相同風(fēng)扇轉(zhuǎn)速條件下，風(fēng)扇靜壓和系統(tǒng)總阻力損失隨海拔高度的升高均呈明顯下降趨勢，流經(jīng)冷卻系統(tǒng)的空氣質(zhì)量流量下降相當(dāng)明顯，且位于高原4500 m下的冷卻系統(tǒng)空氣質(zhì)量流量僅為海拔0 m下的65%，在高海拔工況下冷卻系統(tǒng)中風(fēng)扇的選型設(shè)計需要同時參照風(fēng)扇的質(zhì)量流量-靜壓曲線進行;

3)當(dāng)海拔在3000 m以下時，冷卻系統(tǒng)散熱量下降不多;超過3000 m后，系統(tǒng)散熱量劇烈下降，4500 m海拔下的散熱量僅為平原下的82%左右.

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