坦克冷卻風(fēng)測(cè)試系統(tǒng)設(shè)計(jì)及風(fēng)壓分布特性分析

周 惠， 韓 焱， 張丕狀， 武有成， 王建國(guó)

(1. 中北大學(xué) 信息與通信工程學(xué)院， 山西 太原 030051； 2. 中北大學(xué) 信息探測(cè)與處理山西省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 山西 太原 030051； 3. 太原科技大學(xué) 電子信息工程學(xué)院， 山西 太原 030024； 4. 北方自動(dòng)控制技術(shù)研究所， 山西 太原 030006)

0 引 言

動(dòng)力艙空氣流動(dòng)與散熱性能的好壞直接關(guān)系到車輛的性能與壽命， 甚至?xí)苯佑绊戃囕v能否正常行駛[1]. 冷卻空氣流動(dòng)特性的研究將有助于優(yōu)化動(dòng)力艙的布局和冷卻系統(tǒng)的設(shè)計(jì)， 降低動(dòng)力艙的熱負(fù)荷， 對(duì)提高裝甲車輛的性能有重要意義[2]. 為了保證坦克能夠在適宜的溫度下運(yùn)行， 動(dòng)力艙內(nèi)的空氣流動(dòng)分析是坦克發(fā)展過程中必須進(jìn)行的重要研究?jī)?nèi)容之一. 由于進(jìn)行動(dòng)力艙內(nèi)空氣流動(dòng)的試驗(yàn)研究難度較大， 而且受測(cè)試設(shè)備與測(cè)試手段的限制， 流速、 流量等參數(shù)難以通過測(cè)試得到， 但可以通過虛擬仿真的方法解決[3]， 因此， 近年來， 數(shù)值模擬作為研究空氣流動(dòng)與傳熱的有效手段得到了飛速的發(fā)展[3-9]. 但數(shù)值模擬應(yīng)用于坦克動(dòng)力艙空氣的流動(dòng)與傳熱研究尚須解決一系列的理論和技術(shù)問題[10]， 特別是缺少在實(shí)車工作中不同工況下動(dòng)力艙內(nèi)的測(cè)試參數(shù). 通過臺(tái)架試驗(yàn)的方法[11]或者臺(tái)架試驗(yàn)與虛擬仿真相結(jié)合的方法[12]對(duì)坦克動(dòng)力艙空氣流場(chǎng)進(jìn)行分析也存在問題， 因?yàn)榕_(tái)架試驗(yàn)對(duì)車輛運(yùn)行環(huán)境的再現(xiàn)能力有限[13]. 實(shí)車道路試驗(yàn)是車輛及發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行工況的最真實(shí)反映， 是檢驗(yàn)冷卻系統(tǒng)實(shí)際工作性能的最終手段. 因此， 為了獲取真實(shí)有效的坦克動(dòng)力艙參數(shù)為動(dòng)力艙的優(yōu)化提供基礎(chǔ)與依據(jù)， 實(shí)車測(cè)試的相關(guān)研究就非常必要. 坦克實(shí)車測(cè)試的報(bào)道較為鮮見， 文獻(xiàn)[2]進(jìn)行了實(shí)車?yán)鋮s空氣入口端流速的測(cè)試， 開展的是系統(tǒng)阻力的分析研究.

為了有效地評(píng)估動(dòng)力艙冷卻性能， 本文進(jìn)行了動(dòng)力艙排氣側(cè)的風(fēng)壓測(cè)試； 更進(jìn)一步， 即可通過風(fēng)壓值計(jì)算冷卻空氣對(duì)應(yīng)的散熱量以及動(dòng)力艙的散熱效率等相關(guān)參數(shù)， 更準(zhǔn)確地達(dá)到對(duì)風(fēng)扇冷卻性能及動(dòng)力艙散熱性能的測(cè)試目的. 因此， 本文做了更有效的實(shí)車條件下動(dòng)力艙冷卻性能的測(cè)試工作.

1 坦克冷卻風(fēng)實(shí)車測(cè)試系統(tǒng)的構(gòu)成

坦克冷卻風(fēng)實(shí)車測(cè)試系統(tǒng)主要由上位機(jī)、 陣列傳感器組、 氣壓調(diào)理電路、 數(shù)據(jù)采集存儲(chǔ)系統(tǒng)、 供電系統(tǒng)和轉(zhuǎn)接系統(tǒng)等部分組成. 系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)如圖 1 所示.

實(shí)車測(cè)試前， 利用上位機(jī)專用軟件對(duì)數(shù)據(jù)采集存儲(chǔ)系統(tǒng)進(jìn)行采樣頻率、 采樣時(shí)間、 采樣容量、 采樣通道數(shù)等相關(guān)參數(shù)的配置， 并保證供電系統(tǒng)電量充足. 冷卻風(fēng)實(shí)車測(cè)試開始后， 陣列傳感器組中的各個(gè)微壓力氣壓傳感器測(cè)得冷卻風(fēng)壓信號(hào)， 該風(fēng)壓信號(hào)經(jīng)過氣壓調(diào)理后傳輸給多通道數(shù)據(jù)采集存儲(chǔ)系統(tǒng)， 完成冷卻風(fēng)的實(shí)測(cè). 測(cè)試結(jié)束后利用專用軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行切分， 再進(jìn)行后期的數(shù)據(jù)處理分析. 其中， 轉(zhuǎn)接系統(tǒng)是針對(duì)整個(gè)冷卻風(fēng)測(cè)試系統(tǒng)中傳感器、 芯片電路等的供電要求不一致的問題而特別研制的專用轉(zhuǎn)接電路.

圖 1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Overall structure of test system

2 動(dòng)力艙結(jié)構(gòu)示意及陣列傳感器組的設(shè)計(jì)

2.1 動(dòng)力艙結(jié)構(gòu)示意

以動(dòng)力艙排風(fēng)口的整個(gè)矩形截面作為測(cè)量范圍實(shí)現(xiàn)坦克動(dòng)力艙冷卻風(fēng)的測(cè)量. 動(dòng)力艙結(jié)構(gòu)示意簡(jiǎn)圖如圖 2 所示.

圖 2 動(dòng)力艙結(jié)構(gòu)示意簡(jiǎn)圖Fig.2 Structure sketch of engine compartment

2.2 陣列傳感器組的設(shè)計(jì)

動(dòng)態(tài)的實(shí)車測(cè)試條件下， 采用基于陣列傳感器的測(cè)試方法， 在動(dòng)力艙排氣側(cè)的矩形測(cè)量截面上設(shè)置多個(gè)測(cè)點(diǎn)， 可以同時(shí)測(cè)試不同區(qū)域的氣壓， 進(jìn)行多傳感器的氣體參數(shù)獲取.

由于不得影響進(jìn)、 排氣口氣流的流動(dòng)條件， 在測(cè)量的范圍內(nèi)即動(dòng)力艙排氣側(cè)的整個(gè)幅面， 傳感器數(shù)量、 位置的設(shè)計(jì)及其安裝固定非常重要.

綜合所有實(shí)際情況， 根據(jù)文獻(xiàn)[14]， 在動(dòng)力艙排氣側(cè)的矩形測(cè)量截面200 cm×35 cm的范圍內(nèi)設(shè)置6條線， 每條線上設(shè)測(cè)點(diǎn)4個(gè). 傳感器位置按照“切貝切夫法”[14]進(jìn)行布置.

動(dòng)力艙排氣側(cè)陣列傳感器的布排如圖 3 所示.

圖 3 動(dòng)力艙排氣側(cè)陣列傳感器的布排示意圖Fig.3 Sketch map of sensors assembly at cooling air exhaust side of engine compartment

由于在動(dòng)力艙排氣口處無法直接安裝傳感器， 將一組4個(gè)微壓力傳感器與對(duì)應(yīng)的氣壓調(diào)理電路一起安裝固定在特制架板尾端的鋁制密封方盒內(nèi)， 如圖 4 所示， 鋁制密封盒可以起到抑制電磁干擾的作用； 在以實(shí)車動(dòng)力艙排氣側(cè)的矩形測(cè)量截面為尺寸的金屬框架上， 安裝固定6個(gè)特制架板， 完成24個(gè)氣壓傳感器的裝配. 單個(gè)架板在動(dòng)力艙上的實(shí)際裝配如圖 5 所示. 微壓力傳感器的型號(hào)為YMC-19N， 測(cè)量精度為 0.5%， 供電電壓為DC24V， 標(biāo)準(zhǔn)輸出為0～5 V， 量程為0～6 kPa.

圖 4 特制架板上傳感器的實(shí)際裝配圖Fig.4 Actual assembly drawing of sensors on mounted plates

圖 5 特制架板在動(dòng)力艙上的實(shí)際裝配圖Fig.5 Actual assembly drawing of mounted plates on engine compartment

從圖 4， 圖 5 中可以看出， 所有的微壓力傳感器都外接了不同長(zhǎng)度的“L”型結(jié)構(gòu)的導(dǎo)氣管. 每個(gè)傳感器的導(dǎo)氣管口均固定在坦克動(dòng)力艙排氣口且正對(duì)百葉窗(垂直于百葉窗平面)的位置. 各管長(zhǎng)度如表 1 所示.

表 1 測(cè)壓導(dǎo)氣管長(zhǎng)

3 坦克冷卻風(fēng)實(shí)車試驗(yàn)

實(shí)車試驗(yàn)時(shí)， 坦克在環(huán)形跑道路況下行駛， 在發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速為500～2 000 r/min多種工況下進(jìn)行冷卻風(fēng)測(cè)試， 每個(gè)轉(zhuǎn)速的測(cè)試時(shí)間至少持續(xù)120 s.

3.1 冷卻風(fēng)風(fēng)壓信號(hào)的特點(diǎn)

對(duì)數(shù)據(jù)采集存儲(chǔ)系統(tǒng)中存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)按照通道進(jìn)行切分處理， 得到各傳感器對(duì)應(yīng)的風(fēng)壓信號(hào). 以發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速為1 500 r/min時(shí)測(cè)得的風(fēng)壓信號(hào)為例進(jìn)行分析， 某一架板上4個(gè)測(cè)試點(diǎn)的實(shí)測(cè)冷卻風(fēng)風(fēng)壓信號(hào)(局部)如圖 6 所示. 通過觀察， 風(fēng)壓信號(hào)具有強(qiáng)烈的脈動(dòng)特性.

對(duì)坦克實(shí)測(cè)風(fēng)壓信號(hào)做頻譜分析， 頻譜圖如圖 7 所示. 其中， P24傳感器連接導(dǎo)氣管長(zhǎng)為57.6 cm， 對(duì)應(yīng)測(cè)得的風(fēng)壓信號(hào)包含 133.1, 397.1, 656.2和896.8 Hz等頻率成分； P23傳感器連接導(dǎo)氣管長(zhǎng)為45.4 cm， 對(duì)應(yīng)測(cè)得的風(fēng)壓信號(hào)包含164.4, 484.1和802.6 Hz等頻率成分； P22傳感器連接導(dǎo)氣管長(zhǎng)為33.6 cm， 對(duì)應(yīng)測(cè)得的風(fēng)壓信號(hào)包含216.3和956 Hz等頻率成分； P21傳感器連接導(dǎo)氣管長(zhǎng)為22.7 cm， 對(duì)應(yīng)測(cè)得的風(fēng)壓信號(hào)包含318.9和871.7 Hz等頻率成分. 分析可知， 風(fēng)壓信號(hào)均出現(xiàn)不同程度的諧振.

圖 6 實(shí)測(cè)冷卻風(fēng)風(fēng)壓信號(hào)Fig.6 Measured cooling air pressure signal

圖 7 實(shí)測(cè)風(fēng)壓信號(hào)頻譜圖Fig.7 Spectrum diagram of measured cooling air pressure signal

統(tǒng)計(jì)多組傳感器數(shù)據(jù)的頻譜值進(jìn)行分析. 隨機(jī)選取不同轉(zhuǎn)速條件下， 10個(gè)架板上共計(jì)40個(gè)不同位置傳感器的數(shù)據(jù)樣本， 將這些風(fēng)壓信號(hào)的一階諧振頻率繪制于圖 8， 進(jìn)行說明.

按照導(dǎo)氣管長(zhǎng)度由短到長(zhǎng)的順序分析圖 8 的數(shù)據(jù)， 10個(gè)1#位置傳感器對(duì)應(yīng)風(fēng)壓信號(hào)的一階諧振頻率均在320 Hz左右， 2#位置傳感器對(duì)應(yīng)風(fēng)壓信號(hào)的一階諧振頻率均在216 Hz左右， 3#位置傳感器對(duì)應(yīng)風(fēng)壓信號(hào)的一階諧振頻率均在164 Hz左右， 4#位置傳感器對(duì)應(yīng)風(fēng)壓信號(hào)的一階諧振頻率均在133 Hz左右.

圖 8 多組傳感器數(shù)據(jù)的頻譜值Fig.8 Frequency of multiple sets of sensor data

可見， 導(dǎo)氣管對(duì)風(fēng)壓信號(hào)影響很大， 并體現(xiàn)出很強(qiáng)的規(guī)律性： 不同長(zhǎng)度導(dǎo)氣管對(duì)應(yīng)測(cè)試點(diǎn)的信號(hào)

一階諧振頻率差別明顯； 但是， 即使在不同轉(zhuǎn)速條件下、 不同架板上， 相同長(zhǎng)度導(dǎo)氣管對(duì)應(yīng)的多個(gè)測(cè)試點(diǎn)的信號(hào)一階諧振頻率卻極為相近.

風(fēng)壓信號(hào)在管道傳輸過程中發(fā)生信號(hào)畸變， 其本質(zhì)是管道或者腔體諧振[15]， 這會(huì)導(dǎo)致測(cè)試值與真實(shí)風(fēng)壓值發(fā)生較大偏差.

3.2 畸變信號(hào)的修正

由于導(dǎo)氣管的長(zhǎng)度是導(dǎo)致信號(hào)畸變的主要因素， 針對(duì)4個(gè)管長(zhǎng)的測(cè)壓管道設(shè)計(jì)4個(gè)濾波器， 即根據(jù)4個(gè)管長(zhǎng)測(cè)壓管道的頻響特性曲線， 設(shè)計(jì)頻域?yàn)V波器對(duì)諧振信號(hào)在頻域進(jìn)行衰減. 實(shí)測(cè)風(fēng)壓信號(hào)主要受管道特性的影響， 因此通過對(duì)管道頻響特性的校正可以實(shí)現(xiàn)對(duì)冷卻風(fēng)風(fēng)壓畸變信號(hào)的修正.

對(duì)圖 6 的風(fēng)壓信號(hào)進(jìn)行修正， 對(duì)修正之后的信號(hào)做頻譜分析， 如圖 9 所示.

圖 9 修正之后的風(fēng)壓信號(hào)頻譜圖Fig.9 Spectrum diagram of corrected air pressure signal

對(duì)比圖 7， 圖 9 可見， 坦克冷卻風(fēng)原始數(shù)據(jù)諧振比較明顯， 存在多階諧波， 經(jīng)過修正之后， 諧振衰減明顯.

4 坦克冷卻風(fēng)氣壓分布特性分析

傳感器陣列的24組原始信號(hào)經(jīng)過預(yù)處理(對(duì)畸變信號(hào)修正)之后， 根據(jù)各傳感器的位置信息， 進(jìn)行氣壓分布的線性擬合.

選取動(dòng)力艙排氣側(cè)平面200 cm×35 cm范圍內(nèi)的左下角作為擬合時(shí)的坐標(biāo)系原點(diǎn)(0,0)， 向車體右側(cè)為x值增大， 向車頭方向?yàn)閥值增大， 參看圖3. 擬合的結(jié)果以氣壓分布三維圖呈現(xiàn).

以下通過對(duì)隨機(jī)選取的幾組數(shù)據(jù)進(jìn)行分析研究， 得到動(dòng)力艙排氣口風(fēng)壓分布特性.

圖 10～圖 12 是坦克3個(gè)轉(zhuǎn)速下(轉(zhuǎn)速1<轉(zhuǎn)速2<轉(zhuǎn)速3)分別在某一時(shí)間(這里都選取采集時(shí)刻在1 s時(shí))的排氣口風(fēng)壓分布情況. 為了進(jìn)行全面的風(fēng)壓特性分析， 還應(yīng)該分析同一轉(zhuǎn)速在不同時(shí)刻的風(fēng)壓分布情況， 限于篇幅， 這里只選取轉(zhuǎn)速3在采集時(shí)刻2 s時(shí)的風(fēng)壓分布情況進(jìn)行描述， 該分布情況如圖 13 所示.

自此， 可以得出坦克動(dòng)力艙排風(fēng)口冷卻風(fēng)風(fēng)壓分布特性：

1) 同一發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速下， 在不同采集時(shí)間的氣壓值及氣壓分布趨勢(shì)基本相同， 如圖 12， 圖 13 所示.

2) 不同發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速下， 轉(zhuǎn)速越大， 氣壓值越高， 并且在不同位置的氣壓增高程度不同， 如圖 10～圖 12 所示.

3) 總的來說， 在以上氣壓分布圖中， 盡管不同轉(zhuǎn)速、 不同時(shí)間， 都有一個(gè)共同點(diǎn)， 即每一張圖中均有3個(gè)區(qū)域變化比較明顯即氣壓變化比較明顯.

圖 10 轉(zhuǎn)速1、 采集時(shí)刻1 s時(shí)排氣口風(fēng)壓分布情況Fig.10 Airflow pressure distribution map of speed 1 at 1 s

圖 11 轉(zhuǎn)速2、 采集時(shí)刻1 s時(shí)排氣口風(fēng)壓分布情況Fig.11 Airflow pressure distribution map of speed 2 at 1 s

圖 12 轉(zhuǎn)速3、 采集時(shí)刻1 s時(shí)排氣口風(fēng)壓分布情況Fig.12 Airflow pressure distribution map of speed 3 at 1 s

其中，y值較小的范圍內(nèi)且x接近140 cm的位置(區(qū)域A)， 氣壓值是整個(gè)幅面最突出的， 排氣量體現(xiàn)得最明顯， 這是由于此處為該坦克的冷卻風(fēng)扇的位置(參看圖 2， 圖 3). 冷卻風(fēng)扇是坦克動(dòng)力艙內(nèi)空氣流動(dòng)的主要?jiǎng)恿υ碵1]， 因此當(dāng)風(fēng)扇工作時(shí)， 靠近風(fēng)扇的位置必然風(fēng)壓大.

另外， 在y值為20 cm附近且x最大的區(qū)域(區(qū)域B)， 以及在y值較小且x值在50 cm左右的區(qū)域(區(qū)域C)， 這兩個(gè)區(qū)域的氣壓值比區(qū)域A的小， 但也可以明顯看出， 這兩個(gè)區(qū)域比整個(gè)排氣口除區(qū)域A之外的其余位置的氣壓值大， 這兩個(gè)區(qū)域也是風(fēng)扇直接作用的范圍.

5 結(jié) 論

為了滿足坦克在惡劣的現(xiàn)場(chǎng)條件下的測(cè)試， 本文設(shè)計(jì)了一種基于陣列傳感器的坦克冷卻風(fēng)實(shí)車測(cè)試系統(tǒng)， 實(shí)現(xiàn)了冷卻風(fēng)的實(shí)車測(cè)試. 針對(duì)實(shí)測(cè)冷卻風(fēng)風(fēng)壓信號(hào)出現(xiàn)的諧振問題， 研究了導(dǎo)氣管對(duì)風(fēng)壓信號(hào)的影響， 并通過對(duì)管道頻響特性的校正實(shí)現(xiàn)了對(duì)風(fēng)壓畸變信號(hào)的修正； 通過研究和分析坦克在發(fā)動(dòng)機(jī)不同轉(zhuǎn)速、 不同測(cè)試時(shí)間下的動(dòng)力艙排風(fēng)口氣壓分布特性， 有效地實(shí)現(xiàn)了坦克動(dòng)力艙排氣流場(chǎng)的研究.

結(jié)果表明：

1) 頻域?yàn)V波是修正實(shí)測(cè)冷卻風(fēng)壓畸變信號(hào)的有效方法；

2) 坦克動(dòng)力艙排風(fēng)口冷卻風(fēng)風(fēng)壓分布特性充分體現(xiàn)了風(fēng)壓與發(fā)動(dòng)機(jī)性能(轉(zhuǎn)速)和風(fēng)扇的相關(guān)性；

3) 坦克冷卻風(fēng)實(shí)車測(cè)試系統(tǒng)完成了在發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速為500～2 000 r/min范圍內(nèi)的冷卻風(fēng)測(cè)試， 解決了實(shí)車測(cè)試的難題.

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